Неделя космоса в ОмГПУ: Космос, который работает на Землю

День космонавтики в нашей стране традиционно отмечают 12 апреля. Именно в это день в 1961 году человек впервые оказался на орбите Земли. Однако освоение околоземного пространства началось несколько раньше: 4 октября 1957 года. В этот день был выведен на орбиту первый спутник Земли, имевший две цели: проверку возможности вывода аппарата в космос и проверку прохождения радиоволн в ионосфере, которые были успешно решены.

Именно спутники играют ведущую роль при освоении и использовании околоземного пространства и дальнего Космоса. Первой серьёзной задачей, которую решили и до сих пор решаются спутники является обеспечение связи на основе использования электромагнитных волн широкого частотного диапазона. Далее спутниковые аппараты стали использоваться для навигации, для задач метеорологии, климатологии и т. д.

В 70-е годы начали запускать на орбиту специальные спутники дистанционного зондирования Земли, при помощи которых можно было получать информацию о земных покровах и океанах с помощью изучения их излучательных характеристик, что позволило бы решать задачи геологии, геодезии, сельского хозяйства, экологии и т.д. Однако для этого нужно было знать о взаимодействии электромагнитного излучения с различными природными средами в различных частотных диапазонах.

Поэтому в СССР начались исследования теплового излучения природных объектов в микроволновом диапазоне с целью дистанционного получения информации об их свойствах. Эти исследования были начаты в 1983 г. и в нашем ВУЗе, когда при содействии Института космических исследований (ИКИ) РАН был заключен хозяйственный договор на проведение исследования радиотеплового излучения почв, покрытых стерней. Руководителем работ от ОГПИ был заведующий кафедрой общей физики П.П. Бобров.

Среди наиболее удачных разработок этого периода можно назвать радиометры-поляриметры на длину волны 15,0 см, 3,6 см; радиометр на длину волны 50 см; рефлектор-влагомер почв с рабочими длинами волн 30 и 100 см.

В 80-е проводились полевые исследования излучательных свойств почв с использованием радиометров-поляриметров и другой измерительной аппаратуры (рис. 1). Были получены значительные научные результаты в изучении диэлектрических свойств связанной влаги, отражательных и излучательных характеристик почв в диапазоне длин волн около 1 м. Они позволили создать методику обработки данных дистанционного зондирования, которая обеспечивает большую точность определения влажности почв.

Рис.1. Трехканальная передвижная радиометрическая установка (диапазоны 18 см, 3,6 см, 1,5 см), используемая на опытном поле Омского сельскохозяйственного института и смонтированная на автомобиле радиометрическая установка диапазона 2-4 ГГц (1984 г.).

Параллельно с полевыми измерениями производились лабораторные исследования диэлектрической проницаемости разных почв в гигагерцовом диапазоне частот, информация о которых необходима для дистанционного определения влажности.

В 90-е годы была показана возможность дистанционного обнаружения почв с повышенным засолением. Испарение в таких почвах замедляется вследствие набухания, и это отражается в динамике коэффициента излучения в сантиметровом диапазоне волн.

В начале 2000-х гг. на агростации ОмГПУ был создан полигон для исследования яркостных характеристик разных почв в микроволновом диапазоне (рис. 2). Применение радиометров на разные длины волн позволило определять градиенты влажности в тонком поверхностном слое почв, возникающие при испарении. Показано, что эти характеристики существенно отличаются для почв с различным содержанием органического вещества, что в дальнейшем было подтверждено диэлектрическими измерениями. Это в перспективе поможет в решении задачи об определении плодородности сельскохозяйственных угодий.

Взаимодействие с Институтом физики СО РАН (г. Красноярск) позволило включиться в работу по разработке моделей для радиометров с частотами 6,9 ГГц и 1,4 ГГц (рис. 2). Последняя из них является рабочей частотой спутника SMOS, предназначенного для микроволновой радиометрии Земной поверхности. В этот период проведено исследование излучения замерзающих и оттаивающих почв показавшее возможность дистанционного контроля глубины промерзания. Кроме того, измерения коэффициентов излучения непосредственно перед замерзанием и после замерзания на глубину, превышающую толщину зондируемого слоя, позволяет определить в почве долю связанной влаги и, следовательно, более точно определять влажность почвы радиометрическим методом.

Рис. 2. Радиометрическая установка на частоты 1,4 и 6,9 ГГц на полигоне "Погорельский бор" под Красноярском (2007 г.). Слева направо: П.П. Бобров – ОмГПУ, Д.П. Скулачев – н. с. Института космических исследований РАН, В.Л. Миронов – чл.-корр. РАН, зав. лаб. Института физики СО РАН.

В 2016 г. была создана научно-исследовательская лаборатория диэлькометрии и петрофизики. В 2010-х годах было приобретены и освоены приборы нового поколения для измерения диэлектрической проницаемости: векторные анализаторы цепей и измеритель импедансов (рис. 3). На их основе был разработан и запатентован уникальный метод измерения диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих тел в одной ячейке в диапазоне частот от 100 Гц до 8 ГГц. С помощью этого метода были получены диэлектрические спектры разных пород в широком частотном диапазоне и созданы диэлектрические модели.

Это также позволило расширить тематику работ, в частности, проводились диэлектрические измерения нефтенасыщенных горных пород, в которых принимали участие сотрудники Института нефтегазовой геологии и геофизики. Приобретен прибор, использующий явление ядерного магнитного резонанса для определения петрофизических характеристик пород.

Рис. 3. Вид экспериментальной установки для измерений в диапазоне 20 Гц – 20 ГГц. 1 – векторный анализатор параметров цепей Rohde & Schwarz ZNB20; 2 – анализатор импедансов Keysight Technologies E4990A; 3 – термостат.

В настоящее время сотрудниками лаборатории (рис. 4) проводятся исследования диэлектрических характеристик засоленных почв, а также твердых пород. В сотрудничестве с ОНИИП проводится разработка датчиков различной конструкции для измерения диэлектрической проницаемости в широком частотном диапазоне в полевых условиях. Они необходимы при оперативном определении характеристик подстилающей поверхности для интерпретации спутниковых данных.

Рис. 4. Состав лаборатории в 2026 г. Первый ряд слева направо, к.ф.-м.н., доцент Беляева Т.А., c.н.с., к.ф.-м.н. Родионова О.В. Второй ряд слева на право: в.н.с., д.ф.-м.н., профессор Бобров П.П., старший лаборант Андрюхов Ю.Г., старший лаборант Кухар Н.Ф., заведующий научно-исследовательской лабораторией, к.ф.-м.н., доцент Репин А.В.

Таким образом, на протяжении более 40 лет в нашем университете силами сотрудников кафедры физики проводятся исследования по разработке приборов, методик и моделей для интерпретации данных дистанционного спутникового зондирования. Результаты работы отражены в десятках статей и нескольких патентах.