Введение

Для обеспечения безопасной экономической и промышленной деятельности в Арктической зоне Сибири актуальным является разработка новых технологий мониторинга и прогнозирования состояния обширных почвенных покровов арктической тундры в условиях деградации вечной мерзлоты под влиянием глобального изменения климата Земли. Существующая сеть метеорологических станций в арктической зоне является сильно разреженной, она не обеспечивает потребителей климатическими данными высокого пространственного разрешения.

Влажность почвы

Влажность почвы — безразмерная величина, характеризующая содержание влаги в почве. Выражается как отношение количества воды к весу сухой почвы (или в процентах). В 2010 г. Всемирная Метеорологическая Организация добавила влажность почвы в список 50-ти Основных климатических величин, которые рекомендованы для системного наблюдения.

Многочисленные исследования показали, что влажность почвы оказывает влияние на взаимодействие между поверхностью Земли и слоем атмосферы. Влажность почвы контролирует количество воды, которое просачивается в почву и пополняет грунтовые воды, а также воздействует на поверхностное водоотведение влаги в атмосферу. Таким образом, можно говорить о том, что влажность почвы оказывает существенное влияние на погоду и климат.

Измерение влажности почвы

Традиционные измерения влажности почвы проводятся с помощью специальных датчиков, приборов (влагометров). Этот подход обеспечивает высокую точность измерений, но он неприменим для исследований больших труднодоступных территорий, для которых целесообразно использование дистанционных методов, прежде всего – на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса.

Недостатком использования данных ДЗЗ является низкое пространственное разрешение (радиометры, подходящие для расчета влажности почвы, имеют пространственное разрешение около 40 км/пиксел) и тот факт, что измерить непосредственно влажность почвы невозможно – она определяется в рамках некоторой физической модели как расчетная величина.

Спутники для измерения влажности почвы

В настоящее время на орбите работает несколько специализированных спутников, данные которых можно использовать для вычисления влажности почвы. Отметим среди них следующие:

• Спутник SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), оснащенный радиометром MIRAS (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis) был запущен в ноябре 2009 г. (Европейское космическое агентство). Предназначен для измерения влажности почвы и солености океана – ключевых климатических характеристик, впервые измеряемых в глобальном масштабе. Обеспечивается пространственное разрешение около 43 км на частоте 1,42 ГГц.
• Спутник GCOM-W1 (Global Change Observation Mission 1st - Water), запущенный в мае 2012 г. (Японское агентство аэрокосмических исследований). Спутник GCOM-W1 оснащен сверхчувствительным сканирующим СВЧ-радиометром AMSR-2 (Advanced Microwave Scanning Radiometer – усовершенствованный микроволновой сканирующий радиометр) с пространственным разрешением 5…50 км, который является усовершенствованным вариантом радиометров AMSR-E и AMSR, установленных на спутниках ADEOS-2 и Aqua. С помощью радиометра AMSR-2 можно собрать данные наблюдений с 99% поверхности Земли всего за 2 дня, так как его антенна, совершая один оборот в 1,5 секунды, позволяет охватить территорию в 1,450 километров.
• Спутник SMAP (Soil Moisture Active Passive), запущенный NASA (Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства США) в январе 2015 г. На борту спутника SMAP установлен пассивный микроволновой радиометр, работающий в L-диапазоне (1.400-1.427 ГГц) и предназначенный для измерения поверхностной влажности почвы и состояния замораживания-оттаивания с пространственным разрешением около 40 км. К сожалению, установленный на этом спутнике активный радар высокого пространственного разрешения (3 км) утратил свою работоспособность в сентябре 2015 г.

Моделирование влажности почвы

В Лаборатории радиофизики дистанционного зондирования ИФ СО РАН на протяжении многих лет ведутся исследования методов дистанционного зондирования почвенной влаги, состояния замерзания/оттаивания и температуры почвенного покрова.

Применение физически обоснованных моделей радиотеплового излучения почвенного покрова, в которых ключевую роль играет использование реалистичной модели комплексной диэлектрической проницаемости тундровой почвы позволило получить очень хорошее соответствие с экспериментальными данными, полученными в ходе экспедиционных исследований на полуострове Ямал.