Восстановление оптических параметров подстилающей поверхности поданным наземных и спутниковых спектрометрических измерений; радиометрическая калибровка спутниковых оптических инструментов

Измерения спектров альбедо в районе станций «Молодежная» и «Гора Вечерняя

Наземные измерения спектров отражения поверхности в районе станций «Молодежная» и «Гора Вечерняя» начались в экспедиции 2012-2013 гг. Измерения проводились с целью формирования банка данных спектров отражения подстилающей поверхности, требуемых для расчетов радиационных потоков в атмосфере, и интерпретации спутниковых наблюдений, а также, в долгосрочной перспективе, для оценки антропогенного загрязнения окружающей среды в районе базирования БАС. Кроме того, результаты измерений необходимы как часть информационного обеспечения экспериментов по внешней калибровке оптических спектрометров на спутниках БКА и «Канопус».

В районе станций «Молодежная» - «Гора Вечерняя» были отобраны 8 полигонов с различным типом поверхности (снег, лед, скальные породы) (рис. 2.20). На каждом полигоне определено несколько точек измерений. Полигоны № 1-2 и № 4-7 были выбраны в районе горы Вечерняя, полигоны № 01 и № 3 -в районе станции «Молодежная». Для проведения подспутниковых измерений был отведен полигон №3.

Средние значения спектров диффузного отражения /?(А) для различных типов земной поверхности, полученные на измерительных полигонах, представлены на рис. 2.21. Можно видеть, что поверхность, покрытая снегом (кривые 1-2), имеет наибольший коэффициент отражения R. В видимой области длин волн коэффициент отражения снега находится в пределах 0,8-0,95 и сравнительно слабо зависит от

• 2.3. Retrieving optical parameters of surface from earth-based and satellite spectrometric measurement data; radiation calibration of satellite optical sensors
• 2.3.1. Measurements of albedo spectra in the region of stations «Molodezhnaya» and «Vechernyaya Hill»

Earth-based measurements of surface reflection spectra near the stations «Molodezhnaya» and «Vechernyaya Hill» were initiated in the expedition of 2012-2013 years. The purpose was to form the data bank of surface reflection spectra that is required to calculate radiation fluxes in the atmosphere, to interpret satellite observations and, in long-term outlook, to estimate anthropogenic pollution of the environment. Also, results of these measurements can be used as a part of infoware to the satellite spectrometers calibration experiments. It means the external calibration of optical spectrometers situated on the satellites BKA and «Kanopus».

In the region of the stations «Molodezhnaya» -«Vechernyaya Hill» it was selected 8 proving grounds differing in covering of the surface (snow, ice or hard rock) (Fig. 2.20). Several measurement points were selected on each of them. The proving grounds № 1-2 and № 4-7 were chosen close to Mount Vechernyaya, while the ones № 01 and № 3 were in environs of the station «Molodezhnaya».The proving ground № 3 was allotted for sub- satellite experiments.

Average spectra of the diffuse reflection for different surface types obtained within the chosen proving grounds are given in Fig. 2.21. As seen, the reflection coefficient spectra R(A) for the snow cover are highest (lines 1,2). In the Visible, reflection coefficient R values for snow are within the limits 0.8-0.95, and it comparatively weakly depends on the wavelength A of light. The largest values of Rare observed for newly-fallen

Рис. 2.20. Карта полигонов для измерения спектров отражения поверхности в районе станций «Молодежная» и «Гора Вечерняя»

Fig. 2.20. Map of proving grounds for measuring of surface reflection spectra in the region of stations «Molodezhnaya» and «Vechernyaya Hill»

длины волны излучения X. Максимальные значения коэффициента отражения наблюдаются для свежевыпавшего снега (кривая 1). По мере «старения» снега его коэффициент отражения R уменьшается, причем тем сильней, чем больше длина волны излучения X.

Коэффициенты отражения льда (кривые 3-5) заметно меньше коэффициентов отражения снега. Можно видеть, что альбедо льда имеет максимум при X = 470 нм. Для X > 470 нм с ростом длины волны излучение альбедо льда достаточно быстро уменьшается и при X = 900 нм не превышает 15%. Такой ход спектров отражения является следствием спектральной зависимости коэффициента поглощения льда: в диапазоне длин волн 400-500 нм он минимален, а при X = 1030 нм имеет локальный максимум.

Коэффициенты отражения льда зависят от его структуры. Альбедо «молодого» льда, характерной особенностью которого является большое количество воздушных пузырьков, может достигать достаточно больших значений (кривая 3). По мере старения льда (кривые 4 и 5 на рис. 2.21) размер и количество пузырьков воздуха (пористость) уменьшается. Соответственно уменьшается рассеивающая способность льда, увеличивается глубина проникновения света и увеличивается количество поглощенного излучения. Это приводит к уменьшению альбедо во всем диапазоне длин волн (кривая 4).

snow (curve 1). As snow ages, the reflection coefficient R goes down (curve 2), and the larger is a wavelength, the faster is falling of X.

Reflection coefficients of ice (curves 3-5) are noticeably less than reflection coefficients of snow. It can be seen that the ice albedo is maximal at X = 470 nm. When X > 470 nm, values of ice albedo decrease quickly enough with growth of the wavelength X of light, and they do not exceed 15% on X = 900 nm. Such dependence of the reflection spectra is due to the effect of ice spectral absorption. The absorption coefficient of ice is minimal in the range 400-500 nm, while its local maximum falls on X ~ 1030 nm.

The reflection coefficient of ice depends on ice structure. Its values for «young» ice, of which characteristic feature is presence of a lot of air bubbles, can be rather big (curve 3). When ice ages (curves 4 and 5 in Fig. 2.21), air bubbles size and number (porosity) decrease. Accordingly, scattering ability of ice becomes less and, hence, the depth of light penetration and quantity of absorbed radiation increase. As a result, albedo values fall within the whole range of wavelengths (curve 4).

Длина волны, нм Wavelength, пт

Рис. 2.21. Результаты измерений коэффициентов диффузного отражения разных типов поверхности Антарктиды: 1,2- снег; 3,4,5- лед; 6,7,8- выходы скальных пород

Fig. 2.21. Diffuse reflection coefficient (albedo) as a function of a wavelength A for different surface types from experiments in Antarctic: 1,2- snow; 3,4,5- ice; 6,7,8- rocks

Когда пористость льда становится незначительной, он становится достаточно прозрачным и при измерениях альбедо начинают сказываться свойства подстилающей поверхности. В этом случае измеренный спектр отражения соответствует спектру отражения подстилающей поверхности, искаженному вследствие поглощения излучения при прохождении через лед (кривая 5).