Изучение тепловых свойств земной поверхности. 
Вычисления показателя пожарной опасности

• Введение
• 1. Литературный обзор
• 1.1 Инфракрасное излучение и способы его регистрации
• 1.2 Спутниковые радиометры
• 1.3 Теория излучения в задачи теплообмена
• 1.4 Прохождение излучения через атмосферу
• 2. Материалы и методы
• 2.1 Объекты исследования
• 2.2 Используемая аппаратура
• 3. Результаты и обсуждения
• 3.1 Моделирование связи между температурой поверхности и приземного слоя воздуха
• 3.2 Суточный ход температур
• 3.3. Зависимость влагосодержания образца от радиометрической температуры поверхности
• 3.4 Радиометрический метод оценки показателя пожарной опасности
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложение А

Аэрокосмический дистанционный анализ земной поверхности с применением приборов, построенных на принципах функциональной электроники, начал развиваться еще с середины 60-х годов 20-го века в связи с исследованиями полупроводников и создания на их основе фотоприемников с узкой шириной пропускания. Но в России данная отрасль начала бурно развиваться только в последние десятилетия.

Основной целью моей дипломной работы является исследование возможностей функциональной полупроводниковой электроники, работающей в тепловом диапазоне, для оценки динамики температурного режима и влагосодержания тестовых материалов. Валидация метода оценки температуры дистанционными методами по результатам подспутниковых экспериментов.

В связи с чем, были поставлены следующие задачи:

· Экспериментальная оценка корреляции температуры образцов по данным прямых и дистанционных измерений. Оценка уровня корреляции;

· Выявление суточной динамики температуры материалов и сравнение с теоретическими данными;

· Экспериментальное определение уровня связи между влагосодержанием материала и суммой радиометрических температур поверхности;

· Оценка применимости радиометрических данных при решении прикладной задачи вычисления показателя пожарной опасности.

Результаты данного исследования имеют важное прикладное значение для усовершенствования технологии оценки уровня пожарной опасности лесных горючих материалов. В последние годы проблема резкого сокращения наземных метеостанций на территории России стоит очень остро, вследствие чего появляется сильная фрагментированности карт пожарной опасности. В тоже время, технологии использования дистанционной электроники для оценки влагосодержания проводников горения в настоящее время разработаны не достаточно. И на практике используется метод косвенной оценки по метеорологическим показателям. При этом, решив поставленные в данной работе задачи, можно подтвердить возможность использования аппаратуры радиометрического сканирования для дистанционного метода измерений требуемых параметров исследуемых объектов.

1. Литературный обзор

1.1 Инфракрасное излучение и способы его регистрации

Инфракрасное излучение (ИК излучение) — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красной границей видимого света (л = 0,75 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (л ~ 1 мм) (Рисунок 1). Инфракрасную область спектра обычно условно разделяют на ближнюю (л от 0,75 до 1,5 мкм), среднюю (1,5—5 мкм) и дальнюю (5—1000 мкм).

Рисунок 1 — Спектр электромагнитного излучения

Оптические свойства веществ в инфракрасной области спектра, как правило, отличаются от оптических свойств в видимой и ультрафиолетовой областях. Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях инфракрасного излучения и наоборот. Например, слой воды толщиной в несколько см непрозрачен для инфракрасного излучения с л > 1 мкм (поэтому вода часто используется как теплозащитный фильтр), пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (германий для л > 1,8 мкм, кремний для л > 1,0 мкм). Чёрная бумага прозрачна в далёкой инфракрасной области. Вещества, прозрачные для инфракрасного излучения и непрозрачные в видимой области, используются в качестве светофильтров для выделения инфракрасного излучения. Ряд веществ даже в толстых слоях (несколько см) прозрачен в достаточно больших участках инфракрасного спектра. Из таких веществ изготовляются различные оптические детали (призмы, линзы, окна и пр.) инфракрасных приборов. Например, стекло прозрачно до 2,7 мкм, кварц — до 4,0 мкм и от 100 мкм до 1000 мкм, каменная соль — до 15 мкм, йодистый цезий — до 55 мкм.

По характеру взаимодействия электромагнитного излучения с чувствительным элементом приемники делят на две большие группы — тепловые и фотоэлектрические. В отличие от тепловых приемников, в которых нагрев материала поглощаемыми фотонами приводит к изменению измеряемых электрических свойств, в фотоприемниках имеет место прямое взаимодействие между падающими фотонами и электронами полупроводникового материала чувствительного элемента. Согласно представлениям зонной теории твердого тела уровни энергии, на которых могут находиться электроны атомов кристаллической решетки, образуют зоны (Рисунок 2, а). Наивысшая энергетическая зона, заполненная электронами, называется валентной. Следующую за ней дозволенную зону, которая может быть и не заполненной электронами, называют зоной проводимости. Между этими зонами расположен энергетический зазор, запрещенный для электронов квантовомеханическими законами.

1 — электрическое поле; 2 — электрон; 3 — фотовозбуждение; 4 — дырка; 5 — зона проводимости; 6 — валентная зона; 7 — акцепторный уровень; 8 — донорный уровень.

Рисунок 2 — Фотопроводимость собственная (а) и примесная (б)

Проводимость материала обеспечивается только электронами, находящимися в зоне проводимости. В полупроводнике ширина запрещенной зоны достаточно мала, так что даже при комнатной температуре энергия некоторых электронов из валентной зоны становится достаточной для их перехода через запрещенную зону в зону проводимости. Состояния, ранее занятые этими электронами, положительно заряжены и называются дырками. При наличии внешнего электрического поля электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне будут передвигаться в противоположных направлениях, обеспечивая проводимость полупроводника.

Описанный чистый беспримесный полупроводник называется полупроводником с собственной проводимостью. Падающие на него фотоны отдают энергию валентным электронам, которые переходят в зону проводимости и образуют электронно-дырочные пары, изменяющие проводимость. Использующие это явление собственной фотопроводимости приемники излучения называются фотосопротивлениями. Фотосигнал с приемника будет наблюдаться в том случае, когда энергия фотона превышает ширину запрещенной зоны. Поскольку для освобождения носителей тока (электронов и дырок) требуется некоторая минимальная энергия, характерная для данного материала, каждый тип приемника имеет длинноволновую границу, за которой энергия фотона уже недостаточна для создания носителей тока.

Для идеальных фотоэлектрических приемников излучения сигнал будет возрастать с уменьшением длины волны падающего потока фотонов, энергия которого поддерживается постоянной. С увеличением длины волны энергия каждого фотона уменьшается и при некоторой длине волны будет уже недостаточной для возбуждения носителей заряда: сигнал приемника будет резко уменьшаться. Эту длину волны, за которой приемник становится нечувствительным, называют точкой отсечки.

Как известно, элементарные полупроводники — кремний Si и германий Ge — имеют точки отсечки соответственно при длинах волн 1,1 и 1,8 мкм. Ширина запрещенной зоны у двойных соединений — сульфида и селенида свинца (PbS, PbSe), арсенида индия (InAs), антимонида индия (InCb) — уже, чем у Si и Ge. Они обладают собственной фотопроводимостью вплоть до длинноволновой границы 2,9; 5,4; 3,2 и 5,4 мкм соответственно для PbS, PbSe, InAs и InCb.

В связи с этим были предприняты усилия в направлении создания приемников излучения с собственной проводимостью для области спектра в диапазоне длин волн 8−12 мкм. В 1960;1970;х годах были получены так называемые тройные соединения кадмий-ртуть-теллура (HgCdTe) и олова-свинец-теллура (PbSnTe), представляющие собой полупроводниковый сплав, ширина запрещенной зоны которого зависит от количественного содержания составных компонентов в смеси. Варьируя состав сплава HgCdTe, можно получать граничную длину волны, непрерывно изменяющуюся в широком диапазоне длин волн от 1 до 30 мкм.

Другим способом сдвига порога в сторону более длинных волн для полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной является введение других чистых полупроводников в небольших количествах примесей. В результате легирования исходного материала примесями на энергетической диаграмме (Рисунок 2, б) в запрещенной зоне появляются энергетические уровни примеси. Атомы примеси, энергетические уровни которых расположены вблизи валентной зоны, способны забирать (акцептировать) электроны из основного вещества. Дырки, возникающие при этом в валентной зоне, становятся зарядоносителями. Такие примеси, приводящие к недостатку электронов, называются акцепторными.

Соответственно примеси, уровни которых размещены вблизи зоны проводимости, могут отдавать электроны при возбуждении, действуя как доноры электронов и обеспечивая электронную проводимость материала. Подобная проводимость называется примесной фотопроводимостью и наблюдается в том случае, когда энергия падающих фотонов недостаточна для образования электронно-дырочной пары при переходе из валентной зоны в зону проводимости, но ее хватает, чтобы возбудить атом примеси до состояния, когда образуется свободная дырка и связанный на акцепторном уровне электрон и свободный электрон и связанная дырка на донорном уровне. Длинноволновая граница примесной фотопроводимости определяется шириной узкой энергетической зоны между валентной зоной и акцепторным уровнем или между донорным уровнем и зоной проводимости.

Для создания приемников излучения с областью спектральной чувствительности, соответствующей «атмосферному окну» в интервале длин волн 8−14 мкм, в качестве основной кристаллической решетки чувствительного элемента применяют Ge, в качестве примеси — Hg. У фотоприемников с примесной проводимостью на основе Si легирующей добавкой могут служить Cu, В, Al, P, As, Sb. Длинноволновая граница этих приемников изменяется в пределах длин волн от 16 до 30 мкм.

На базе приемников инфракрасного излучения строятся спутниковые радиометры с принципиальной схемой, показанной на Рисунке 3.

полупроводниковый температурный влагосодержание валидация Рисунок 3 — Принципиальная схема радиометра В настоящее время количество спутниковых радиометров, выведенных на орбиту, достигает нескольких десятков единиц. Эти радиометры ведут съемку в различных спектральных диапазонах, что позволяет строить глобальную картину происходящих на Земле изменений и делать достаточно точные прогнозы.

1.2 Спутниковые радиометры Одним из дистанционных методов геотермического картографирования является аэрокосмическая съемка в инфракрасной (ИК) области спектра. Как правило съемка производится в средней (SWIR — short wave infrared) и дальней (TIR — thermal infrared) частях ИК области спектра (1,5−5,0 и более 5,0 мкм, соответственно). В указанных спектральных диапазонах распространяется собственное тепловое излучение объектов земной поверхности. Интенсивность излучения в основном обусловлена тепловым состоянием излучающей поверхности, поэтому съемку, выполняемую в средней (SWIR) и дальней (TIR) частях ИК области спектра, называют «тепловой инфракрасной» .

Обзор имеющихся космических средств ДЗЗ в ИК области спектра

Аэрокосмический дистанционный анализ земной поверхности в средней и дальней частях ИК области разрабатывался с середины 1960;х годов исключительно в целях военного применения. Съемки в TIR диапазонах проводились в целях гидрогеологического изучения территории. Длины волн больше 15 микрометров полностью поглощаются атмосферой и для изучения земной поверхности космическими дистанционными методами малоинформативны. Впоследствии такие съемки стали проводиться авиационными СВЧ — радиометрами.

Регулярные и широкодоступные данные по изучению тепловых свойств земной поверхности стали поступать в конце 1970;х годов с метеорологических спутников NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) (радиометр AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)), после запуска спутников Landsat-5 (запущен в 1984 г.) и Landsat-7 (запущен в 1999 г.) в 6 канале радиометров TM и ETM (соответственно), а также спутников TERRA, запущенного в 1999 г. (радиометры MODIS и ASTER) и AQUA (радиометр MODIS), запущенного в 2002 г. Эти данные ДЗЗ в настоящее время наиболее доступны для российских исследователей и могут быть получены из Интернет или на приемную станцию непосредственно с космического аппарата (NOAA, TERRA, AQUA). Возможности съемки вышеуказанными радиометрами в NIR, SWIR и TIR частях ИК области спектра приведены в Таблице 1.

Таблица 1 — Сравнение характеристик спутниковых спектрорадиометров

1.3 Теория излучения в задачи теплообмена

Системы дистанционного зондирования, которые используются в настоящее время, являются в основном пассивными, т. е. датчик получает энергию от объекта, который был освещен внешним источником излучения, Солнцем.

При наблюдении Земли из космоса на длине волны короче 23 мкм регистрируется энергия Солнца, отраженная и рассеянная поверхностью суши, воды и облаков. Температура поверхности (фотосферы) Солнца равна 5785К, максимум излучения приходится на 0,5 мкм.

1- кривая излучения, наблюдаемая за пределами Земли, 2 — кривая излучения абсолютно черного тела, 3 — наблюдаемая с Земли кривая излучения Солнца

Рисунок 4 — Солнечная спектральная плотность энергетической освещенности Земли

Выше приведен график солнечной спектральной плотности энергетической освещенности Земли как функции длины волны (Рисунок 4). Этот график показывает влияние атмосферы на солнечное излучение при его прохождении через воздушные массы к земной поверхности. Составляющие атмосферу газы обуславливают сложную структуру солнечного спектра. И, наоборот, спектр солнечного излучения за пределами атмосферы очень гладкий. Фактически он очень напоминает спектр, излучаемый идеальным излучателем — абсолютно черным телом, при температуре приблизительно 6000 К. Интерпретация солнечного спектра в терминах идеального излучателя — абсолютно черного тела удобна в дистанционном зондировании.

Уравнение, полученное Планком для описания абсолютно черного тела известно, как закон излучения Планка:

(1)

где с — скорость света, 2,9996· 1014 мкм/с; н — частота излучения, Гц.

В технологии дистанционного зондирования обычно используется волновая форма закона Планка. Однако его удобно использовать в частотной форме для получения другого полезного соотношения.

(2)

где — постоянная излучения Стефана — Больцмана; =5,6693· 10−8(Bт/(м2К4)). Это уравнение известно как закон излучения Стефана — Больцмана. Все законы излучения предполагают, что излучателем является идеальное абсолютно черное тело — идеальный излучатель. Степень приближения объекта к абсолютно черному телу количественно определяется при включении в закон излучения Стефана — Больцмана (или закон излучения Планка) постоянного множителя, известного как излучательная способность.

В случае непрозрачных объектов излучательная способность обычно называется коэффициентом излучения. Идеальное абсолютно черное тело обладает коэффициентом излучения, равным 1.

Ближе всего к 1 коэффициент теплового излучения в тепловом ИК диапазоне у воды (0,98−0,99). У облаков также ~ 1. Сложнее дело обстоит с поверхностью суши. Здесь влияет характер поверхности, увлажненность и т. д. Для свежего снега = 0,986, для густой травы 0,970, глинистой почвы 0,980, хвойного леса 0,97.

При регистрации теплового излучения со спутников используется интервал длин волн 10−14 мкм, в котором поглощение в атмосфере невелико. При температуре земной поверхности (облаков), равной минус 50С, максимум излучения приходится на 12 мкм, при 50С на 9 мкм.

1.4 Прохождение излучения через атмосферу

В прикладном дистанционном зондировании, связанном со сбором данных, атмосфера между датчиком и объектом и между источником излучения и объектом оказывает влияние на данные. Атмосфера может влиять на данные дистанционного зондирования двумя способами: путем рассеяния и поглощения энергии. Рассеяние имеет место, когда излучение в атмосфере отражается или преломляется частицами от молекул газов, составляющих атмосферу, крупинками пыли и большими водяными каплями. Обычно предполагается, что рассеянное излучение, идущее от Солнца (падающее) или отраженное от поверхности Земли (восходящее), не ослабляется, а меняет направление. Часто это изменение направления зависит от длины волны. Излучение, которое не рассеивается, поглощается атмосферой также в зависимости от длины волны, и атмосфера нагревается поглощенным излучением.

Метеорологические параметры атмосферы оказывают большое влияние на относительное преобладание процессов рассеяния и поглощения. Пары воды, углекислый газ, озон и другие примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают инфракрасное излучение. Особенно сильно поглощают инфракрасное излучение пары воды, полосы поглощения которых расположены почти во всей инфракрасной области спектра, а в средней инфракрасной области — углекислый газ. В приземных слоях атмосферы в средней инфракрасной области имеется лишь небольшое число «окон», прозрачных для инфракрасного излучения (Рисунок 5).

Рисунок 5 — Поглощение атмосферой на уровне моря толщиной 1.8 км.

Оптические свойства веществ (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой и ультрафиолетовой областях. Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях инфракрасного излучения и наоборот. Азот и кислород воздуха не поглощают инфракрасное излучение и ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое, однако, для инфракрасного излучения значительно меньше, чем для видимого света.

При испарении воды из гигроскопических растительных материалов затрачивается 2600—3000 кДж энергии на каждый грамм влаги. При этом основной источник энергии — солнечная радиация. Считая воздух практически прозрачным для солнечных лучей, можно заключить, что превращение радиации в тепло происходит при поглощении ее какой-либо поверхностью. Облученная поверхность всегда имеет температуру выше, чем окружающее воздушное пространство или затененные участки. Чем больше эта разность температур, тем быстрее может происходить испарение влаги с поглощающей поверхности.

В качестве модельного приближения был рассмотрен процесс формирования температуры поверхности однородного бесконечного полупространства при заданных начальных и граничных условиях. Это приближение удовлетворительно описывает динамику температуры поверхности напочвенных покровов, представленных лишайниковыми, травянистыми, мертвопокровными типами основных проводников горения (ОПГ) ввиду относительно малой толщины покрова по сравнению с горизонтальной протяженностью.

Из экспериментальных наблюдений и физических соображений следует, что максимуму Тп в суточном периоде соответствует минимум влагосодержания W13, причем это явление наблюдается при максимальной высоте стояния солнца, то есть в 13—14 часов местного времени.

(3)

где m — число дней.

Выражение (3) выглядит как классическая формула Г. Н. Нестерова, выражающая связь между влагосодержанием ЛГМ и комплексным метеорологическим показателем:

(4)

где Твi — температура воздуха; Трi — температура точки росы;

 — константы.

Однако (4) противоречит физическому смыслу, так как при Н0, W13. Используя полученное соотношение (3), данное выражение можно свести к виду:

.(5)

Выражение (5) хорошо описывает экспериментальные данные, при этом соответствует коэффициенту сушки, а — равновесному влагосодержанию, соответствующему относительной влажности и температуре воздуха в 13 часов. Но выражение, полученное теоретически и выведенное эмпирически, имеют одинаковый вид и, если последнее из них апробировано практикой, то можно заключить, что и первое может использоваться для оценки влагосодержания при измерении только максимальной температуры поверхности и последующем суммировании значений Тп. Такой вывод обосновывает возможность использования сканерных периодических съемок лесной территории в тепловом диапазоне спектра для пространственной оценки увлажненности лесных горючих материалов.

Заметим, что если Тпi = Твi, а (Твi—Трi)const, то (3) совпадает с (5); а если Тпi больше или меньше Твi, то (3) более обоснованно описывает оценку влагосодержания материала, так как определяется физикой процесса нагрева и сушки лесного горючего материала.

2. Материалы и методы

2.1 Объекты исследования

Объектами для натурных исследований были выбраны 2 вида лесных горючих материалов: компоненты напочвенного покрова опада хвои сосны и моховой подстилки, которые соответствуют разнотравным и мертвопокровным типам леса. В качестве контрольного использовалась тестовая площадка с искусственным материалом — асфальтовое покрытие, на котором проводились калибровочные измерения соответствующих параметров. Объекты являются типичными видами лесных материалов и основными проводниками горения.

Измерения проводились на 4 площадках, различающихся не только по материалу, но и по условиям. Размер каждой из площадок составлял 1 м².

Первой исследуемой точкой является асфальт, который служит тестовым материалом для нашего исследования. Объект находится на открытом участке и подвержен солнечной радиации на протяжении всего светового дня.

1 — искусственное покрытие (асфальт); 2 — опад хвои; 3 — опад хвои в условиях рассеянного излучения; 4 — мох в условиях рассеянного излучения.

Рисунок 6 — Тестовые площадки

Объектом для второй исследуемой точки служил опад хвои, находящийся на открытом пространстве. Исследуемой точкой № 3 также является опад хвои, но только расположенный под деревьями с сомкнутостью крон, достигающими 60%. Последний факт, в свою очередь, ведет к неравномерному распределению солнечного нагрева по площади, но в тоже время служит идеальным примером реальной ситуации в лесу. Точкой № 4 при проведении натурных измерений служила площадка со мхом, находящимся, как и предыдущий образец, в месте с высокой степенью сомкнутости крон.

При проведении эксперимента по определению взаимосвязи яркостной температуры и влажности было взято два образца в трёх повторностях с разной подстилающей поверхности: с зоны ярко-выраженного мохово-соснового леса (МСЛ) и с зоны березового леса (БЛ) размером 15×15см. (Рисунок 7).

Рисунок 7 — Тестовый образец горючего материала

В последней части работы для обработки были взяты данные о яркостной температуре поверхности со спутника, а также данные с наземной метеостанции.

2.2 Используемая аппаратура

Портативный радиометр. Тепловизор FLIR InfraCAM

Для проведения экспериментов по валидации метода оценки радиометрической температуры и влагосодержания тестовых материалов нами был взят портативный радиометр FLIR InfraCAM (Приложения А. Рисунок 1). Данный прибор по принципиальной схеме не отличается от радиометров, используемых на спутниках, что позволяет нам применять его при корреляционных исследованиях.

Широкий спектральный диапазон (от 7,5 до 13 мкм.) прибора позволяет измерять температуры от -10°C до +350°C. Чувствительность составляет 0,1°С. Измерение температуры производится в фиксированной точке в середине образца. Мгновенное поле зрение составляет 3,7 мм при расстоянии до детектируемого объекта 1 м. и углах обзора 25° x 25°.

Формирование инфракрасного изображения объекта происходит за счет матрицы, построенной на основе неохлаждаемого микроболометра, выполненного на оксиде ванадия (VOx), с разрешением в 120 на 120 пикселей и расположенной в фокальной плоскости прибора.

Ввиду возможности ручной регулировки коэффициента излучения от 0,1 до 1,0 можно с легкостью производить измерения температуры различных по своей структуре поверхностей, таких как: природные горючие материалы, асфальт, металл, и др.

Метеостанции KESTREL 3000

При определении метеорологических параметров, в том числе: температуры воздуха, влажности воздуха, скорости ветра, нами была использована портативная метеостанция KESTREL 3000. Возможности измерения:

· Скорость ветра: от 0,4 м/с до 40 м/с, с шагом в 0,1 m/s; доверительный интервал — 3%

· Температура: от -29 до 70 °C с шагом в 0,1°C; доверительный интервал — 0,3°C

· Влажность: от 5 до 95% с шагом в 0,1%; доверительный интервал — 3%

Спектрорадиометр MODIS

При оценке ППО радиометрическим методом были обработаны снимки, полученные со спектрорадиометра MODIS, станция приема данных с этого аппарата расположена в Экологическом корпусе Института леса им. В. Н. Сукачева СО РАН.

Инструмент MODIS изучает атмосферные, океанские процессы и процессы, связанные с Земной поверхностью. Это включает изучение: температуры поверхности (земли и океана), цветения океанов, глобальной растительности, характеристик облаков, снежных покровов, и температурных профилей и профилей влажности.

MODIS — спектрорадиометр пассивного типа, несёт 490 датчиков, размещенных в 36 спектральных полосах, которые охватывают видимый и инфракрасный диапазон длин волн в пределах от 0,412 мкм до 14,235 мкм. Две из полос имеют пространственное разрешение 250 м, пять полос имеют разрешение в 500 м, а остальные спектральные полосы имеют — 1000 м. Сигналы каждого канала имеют 12-битное квантование. Съёмка осуществляется за счет использования непрерывного вращения двухстороннего сканирующего зеркала, с периодом вращения 20,3 оборота в минуту (то есть одна сторона зеркала перемещается на 360 градусов каждые 1,477 секунды).

3. Результаты и обсуждения

3.1 Моделирование связи между температурой поверхности и приземного слоя воздуха

Система оценки пожарной опасности (ПО) в нашей стране базируется на комплексном метеорологическом показателе В. Г. Нестерова, учитывающем осадки, температуру и влажность воздуха. Однако небольшой радиус экстраполяции данных и редкая сеть метеостанций принципиально не позволяет восстановить требуемое пространственное распределение как полей жидких осадков, так и температуры воздуха определенных территорий, а следовательно, создать детальную карту пожарной опасности. В качестве альтернативного метода предложено использовать данные дистанционного спутникового зондирования.

В ходе эксперимента были проведены измерения радиометрических температур поверхности полигонных образцов бесконтактным способом и термодинамических температур воздуха над ними.

Рисунок 8 — Тестовая площадка № 1 (искусственный материал — асфальт)

В качестве тестового образца для измерений был выбран асфальт. Исследуемая площадка находится под прямым солнечным излучением и нагревается на протяжении всего времени измерений. Как мы можем видеть (Рисунок 8), температура поверхности и температура воздуха над ней сильно отличаются, но в то же время в достаточной степени коррелируют.

Рисунок 9 — Тестовая площадки № 2 (Опад хвои в условиях прямого солнечного излучения)

Вторым исследуемым объектом выступает хвоя кедра (Рисунок 9), которая также расположена на участке, подверженном прямому солнечному излучению и ввиду этого температура поверхности превышает температуру воздуха.

Рисунок 10 — Тестовая площадка № 3 (Опад хвои в условиях рассеянного солнечного излучения)

Следующий объект отличается от первых двух своим расположением, а именно находится в лесном массиве с высокой степенью сомкнутости крон деревьев, которая препятствует попаданию прямого солнечного излучения на исследуемый объект. Вследствие этого, наблюдается инверсия значений измеряемых параметров (Рисунок 10), таким образом, значения термодинамической температуры приземного слоя воздуха в данных условиях превышают значения радиометрической температуры материала.

Рисунок 11 — Тестовая площадки № 4 (материал покрытия — мох в условиях рассеянного солнечного излучения)

Как и в случае с третей исследуемой точкой, образец № 4 находится в поле действия рассеянного солнечного излучения, что в совокупности со строением самого материала приводит к большому различию в температурах поверхности и приземного слоя воздуха. Но в тоже время, корреляционная зависимость этих двух температур сохраняется.

Рисунок 12 — Все исследуемые образцы в условиях рассеянного солнечного излучения

Ввиду определенных метеорологических условий, когда все исследуемые точки оказались в области рассеянного солнечного излучения, на графике (Рисунок 12) мы получаем высокую степень корреляции для всех наблюдаемых объектов, различия значений измеряемых параметров в данных условиях составляет не более 1−2єС. Коэффициенты корреляции для всех исследуемых образцов колеблются в пределах от 0,87 до 0,93

Данные измерения были проведены для небольшого промежутка времени и отражают реальную картину связи температуры поверхности и приземного слоя воздуха в период максимального воздействия солнечной энергии. Наряду с этим, существует ещё и суточная динамика в ходе температуры поверхности, которая подчиняется синусоидальному закону.

3.2 Суточный ход температур

Для сравнения полученных экспериментальных данных с теоретическими данными были проведены суточные измерения радиометрической температуры двух различных поверхностей и термодинамической температуры приземного слоя воздуха.

1 — экспериментальная кривая, 2 — теоретическая кривая.

Рисунок 13 — Суточный ход радиометрической температуры искусственной поверхности (асфальт)

1 — экспериментальная кривая, 2 — теоретическая кривая.

Рисунок 14 — Суточный ход радиометрической температуры травяной поверхности Рисунок 15 — Суточный ход термодинамической температуры приземного слоя воздуха На графиках (Рисунок 13, Рисунок 14) можно видеть практически полное совпадение с теоретическим графиком суточного хода температуры, за исключением выбившегося максимума. Это обусловлено тем, что до данного измерения исследуемая поверхность находилась в условиях рассеянного солнечного излучения, после чего, ввиду натурности измерений, поверхность оказалась под действием прямого солнечного излучения, этим же фактом можно объяснить и смещения максимума значений радиометрической температуры к 17 часу измерений.

Так же из графиков можно четко увидеть тепловую инерцию исследуемых поверхностей. Тепловая инерция заставляет сдвинуться максимумы температур по времени, ближе к вечернему. А именно фазовый сдвиг в идеальном случае составляет порядка 2-х часов от наступления максимума радиационного баланса (Рисунок 15).

3.3 Зависимость влагосодержания образца от радиометрической температуры поверхности

Влагосодержание горючих материалов — важнейший динамичный параметр, определяющий возможность возникновения и развития лесных пожаров. В ходе данного эксперимента были проведены измерения радиометрической температуры материала с привязкой к его влагосодержанию.

Каждый вид горючих материалов характеризуется предельным влагосодержанием, при котором возможно распространение горения. Критическое (предельное) влагосодержание зеленых мхов составляет 35—40%, кустистых лишайников — 25—35%, отмершей травы и листьев — 20—25%, лесной подстилки 50—60%, торфа 400—500%.

Доминирующую роль в процессе высыхания горючих материалов играет солнечная радиация. В данной части дипломной работы представлены результаты эксперимента по оценке зависимости влагосодержания некоторых видов горючих материалов от суммы их радиометрических температур поверхности.

Полученные ранее образцы были помещены в термостат, где находились продолжительное время при температуре 45 °C. В ходе эксперимента была измерена динамика изменения веса образцов (Рисунок 16) и как можно видеть, она имеет экспоненциальный характер.

Рисунок 16 — Динамика изменения веса тестовых материалов при нагреве в термостате Также, в ходе этого эксперимента производилось измерения радиометрической температуры поверхности образцов для дальнейшего использования этих данных в привязке к влагосодержанию (Рисунок 17).

Рисунок 17 — Радиометрическая температура тестовых материалов при нагреве в термостате После чего, по формуле (3) было вычислено влагосодержание каждого образца, а также построена зависимость изменения влагосодержания от суммы радиометрических температур материала (Рисунок 18, Рисунок 19).

Рисунок 18 — Зависимость влагосодержания образца подстилающей поверхности березового леса от суммы радиометрических температур поверхности Рисунок 19 — Зависимость влагосодержания образца подстилающей поверхности мохово-соснового леса от суммы радиометрических температур поверхности Как можно видеть из графиков, потеря влагосодержания имеет экспоненциальный и хорошо описывает процесс сушки горючего материала в смоделированных условиях. Также скорость сушки материала зависит от начального влагосодержания.

Ввиду полученных выше результатов, можно предположить возможность замены метеорологических данных радиометрическими, получаемыми со спутников, при оценке показателя пожарной опасности.

3.4 Радиометрический метод оценки показателя пожарной опасности

Основой для построения карт пожарной опасности является вычисление показателя пожарной опасности, который учитывает метеорологические данные — количество осадков, температуру воздуха и точки росы, и носит название уточненного показателя Нестерова:

(6)

где Ку — табулированный коэффициент учета осадков.

Таблица 2 — Коэффициент учета осадков

В данном разделе мы рассматриваем возможность модификации показателя Нестерова данными дистанционного зондирования Земли, а именно замену термодинамической температуры приземного слоя воздуха радиометрической температурой поверхности.

При обработке инфракрасных снимков, полученных со спутникового радиометра MODIS, были получены значения радиометрической температуры поверхности в пределах зоны действия наземной метеостанции.

Далее были рассчитаны ППО по уточненному показателю Нестерова, используя данные метеостанции, и ППО, используя радиометрическую температуру поверхности, полученную со спутника, за продолжительный пожароопасный период (Рисунок 19).

Рисунок 19 — Расчет ППО по спутниковым и наземным данным за пожароопасный период

Проведенный расчет показывает фактическое совпадение показателей пожарной опасности, построенных по двум видам данных. Уровень корреляции составляет 0,9.

Таким образом, экспериментально подтверждена возможность использования спутниковой информации при прогнозировании пожарной опасности без использования наземных метеостанций.

Заключение

1. Проведены измерения температур различных по структуре материалов (искусственная поверхность — асфальт, природные поверхности — хвоя, мох) и температур приземного слоя воздуха при различных метеорологических условиях. Была произведена экспериментальная оценка корреляции этих величин;

2. При проведении натурных измерений была выявлена суточная динамика радиометрических температур тестовых поверхностей, которая описывается периодической функцией и имеет фазовое смещение максимума значений на два часа, относительно термодинамической температуры воздуха, обусловленный тепловой инертностью материалов;

3. На основе экспериментальных данных дана оценка связи между показателем суммы радиационных температур материалов и их влагосодержанием в условиях стационарного процесса сушки, смоделированного в лабораторных условиях;

4. На основе снимков поверхности Земли в инфракрасном диапазоне, полученных со спутникового спектрорадиометра MODIS, а также метеорологической информации с наземной метеостанции был проведен сравнительный расчет показателя пожарной опасности. Коэффициент корреляции составил 0,9;

5. Подтверждена возможность использования данных о радиационной температуре материала для решения прикладной задачи оценки пожарной опасности. Обосновано использование данных дистанционного спутникового зондирования для целей оценки пожарной опасности.

Список использованных источников

1. Китель Ч.

Введение

в физику твердого тела / Ч. Киттель. — М.: Наука, 2008. — 791 с.

2. Ашкрофт Н. Физика твердого тела: в 2 т. / Н. Ашкрофт, Н. Мермин. — М.: Мир, 2009. — 399 с.

3. Зиненко В. И. Основы физики твердого тела / В. И. Зиненко, Б. П. Сорокин, П. П. Турчин. — М.: изд-во Физико-математической литературы, 2001. — 336 с.

4. Киселев В. Ф. Основы физики поверхности твёрдого тела / В. Ф. Киселев, С. Н. Козлов, А. В. Зотеев. — М.: изд-во Московского университета, 1999. — 284 с.

5. Матвеев Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы: учеб. пособие / Л. Т. Матвеев. — Л.: Гидрометеоиздат, 1965. — 858 с.

6. Коровин Г. Н. Авиационная охрана лесов / Г. Н. Коровин, Н. А. Андреев. — М.: Агропромиздат, 2008. — 223 с.

7. Софронов М. А. Пирологическое районирование в таежной зоне / М. А. Софронов, А. В. Волокитина. — Новосибирск: Наука, 2011. — 205 с.

8. Сухинин А. И. Оценка влагосодержания лесных горючих материалов по радиационной температуре / А. И. Сухинин, Е. И. Пономарев; ин-т леса им. В. Н. Сукачева СО РАН. — Красноярск, 2008. — 28 с. — Деп. в ВИНИТИ 19.04.98, № 1144-В98.

9. Карслоу Дж. Теплопроводность твердых тел / Дж. Карслоу, Д. Егер. — М.: Наука, 1969. — 340 с.

10. Шаскольская М. П. Кристаллография: учеб. пособие для втузов / М. П. Шаскольская. — М.: Высшая школа, 1984. — 376 с.

11. Горелик С. С. Материаловедение полупроводников и диэлектриков: учеб. пособие для вузов / С. С. Горелик, М. Я. Дашевский. — М.: МИСиС, 2012. — 480 с.

12. Маделунг О. Теория твердого тела / О. Маделунг. — М.: Наука, 1980. — 416 с.

13. Павлов П. В. Физика твердого тела / П. В. Павлов, А. Ф. Хохлов. — М.: Высшая школа, 2010. — 494 с.

14. Иванов-Есипович Н.К. Физико-химические основы производства радиоэлектронной аппаратуры / Н.К. Иванов-Есипович. — М.: Высшая школа, 1979. — 205 с.

15. Жирифалько Л. Статистическая физика твердого тела / Л. Жирифалько. — М.: Мир, 1975. — 382 с.

16. Давыдов А. С. Теория твёрдого тела / А. С. Давыдов. — М.: Наука, 1976. — 636 с.

17. Ястребов Л. И. Основы одноэлектронной теории твёрдого тела (псевдопотенциалы) / Л. И. Ястребов, А. А. Канцельсон. — М.: Наука, 1981. — 320 с.

18. Рис У. Г. Основы дистанционного зондирования / У. Г. Рис. — М.: Техносфера, 2009. — 336 с.

19. Кондратьев К. Я. Радиационный баланс Земли / К. Я. Кондратьев. — Л.: Гидрометиздат, 2008. — 352 с.

20. Будаговский А. И. Испарение почвенной влаги / А. И. Будаговский. — М.: Наука, 1964. — 315 с.

21. Кашкин В. Б. Дистанционное зондирование земли из космоса. Цифровая обработка изображений / В. Б. Кашкин, А. И. Сухинин. — М.: Логос, 2001. — 264 с.

22. Эпштейн М. И. Измерение оптического излучения в электронике / М. И. Эпштейн. — М.: Энергия, 1975. — 248 с.

23. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники / Л. З. Криксунов. — М: Советское радио, 2008. — 400 с.

24. Белов В. В. От физических основ, теории и моделирования к тематической обработке спутниковых изображений / В. В. Белов, С. В. Афонин. — Томск: изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2005. — 266с.

25. Пономарев Е. И. Пространственная оценка пожарной опасности в лесу по условиям погоды / Е. И. Пономарев, А. И. Сухинин; ин-т леса им. В. Н. Сукачева СО РАН. — Красноярск, 2008. — 32 с. — Деп. в ВИНИТИ 26.05.98, № 1620-В97.

26. Конев Э. В. Физические основы горения растительных материалов / Э. В. Конев. — Новосибирск: Наука, 1977. — 267 с.

27. Зуев В. Е. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы: Т. 8. / В. Е. Зуев, В. В. Зуев. — М.: Гидрометеоиздат, 2012. — 232 с.

28. Чандра А. М. Дистанционное зондирование и географические информационные системы / А. М. Чандра, С. К. Гош. — М.: Техносфера, 2009. — 312 с.

29. Поморцев О. А. Лесные пожары: от мониторинга к прогнозу (на примере Якутии) / О. А. Поморцев, Л. А. Ведешин, А. А. Дальбинов // Исследование земли из космоса. — 2008. — № 2. — С. 57−67.

30. Соловьев В. И. Мониторинг температуры поверхности суши по данным геостационарных метеорологических спутников нового поколения / В. И. Соловьев, С. А. Успенский // Исследование земли из космоса. — 2009. — № 3. — С. 79−89.

Приложение А

Рисунок А.1 — Внешний вид портативного радиометра-тепловизора FLIR

Рисунок А.2 — Снимок дерева в тепловом диапазоне Рисунок А.3 — Внешний вид переносной метеостанции Kestrel 3000

Таблица А.1 — Данные по натурным измерениям

Таблица А.2 — Данные по натурным измерениям

Таблица А.3 — Данные по натурным измерениям

Таблица А.8 — Динамика изменения радиометрической температуры образцов при сушке Температура в°С