Земля в невидимом диапазоне спектра электромагнитных колебаний

Среди дистанционных методов все большую роль приобретают методы, использующие невидимый диапазон электромагнитного спектра излучения. С их помощью мы получаем информацию о спектре излучения различных природных объектов, распределения теплового поля и о других физических характеристиках земной поверхности. В настоящее время в геологических исследованиях наиболее широко распространены инфракрасная, радарная, спектрометрическая съемки и геофизические методы.

Инфракрасная (ИК) съемка основана на использовании изображения, полученного в области ИК-излучения. Обычным источником инфракрасного излучения является нагретое тело. При небольшой температуре интенсивность излучения незначительна, а при повышении температуры мощность излучаемой энергии быстро растет.

Основные температурные аномалии на поверхности нашей планеты вызваны двумя природными тепловыми источниками - Солнцем и эндогенным теплом Земли. Тепловой поток от ее ядра и внутренних оболочек не зависит от внешних факторов. Температурные аномалии, вызванные этим тепловым потоком в зонах высокой вулканической активности и интенсивной гидротермальной деятельности, достигают десятков и сотен градусов.

Поскольку тепловые излучения типичны для всех окружающих нас предметов, а температура их различна, то инфракрасное изображение характеризует тепловую неоднородность земной поверхности.

Проведение ИК-съемки с летательных аппаратов накладывает ограничения на применение ИК-методов. Эти ограничения связаны с поглощением и рассеиванием ИК-излучения атмосферой. При прохождении инфракрасного излучения через атмосферу наблюдается избирательное поглощение его газами и водяным паром. Сильнее всего оно поглощается парами воды, углекислым газом и озоном. Однако в атмосфере для ИК-излучения есть несколько зон относительно слабого поглощения. Это так называемые "окна пропускания" ИК-излучения. Прозрачность их зависит от высоты над уровнем моря и содержания в атмосфере водяных паров. С увеличением высоты плотность воздуха и количество в нем различных примесей уменьшаются, возрастает прозрачность атмосферы и увеличивается ширина "окон пропускания". ИК-изображение земной поверхности можно получить только в том диапазоне, который соответствует полосе прозрачности атмосферы (рис. 13).

Рис. 13. 'Окна прозрачности' атмосферы для электромагнитных волн в видимой и инфракрасной областях спектра. Атмосфера представляет собой среду, состоящую из смеси газов, водяного пара и взвешенных частиц различного происхождения, которые препятствуют прохождению коротковолнового диапазона, поглощая и рассеивая его в отдельных зонах спектра, оставляя лишь узкие зоны, относительно прозрачные для электромагнитных колебаний в видимой и инфракрасной зонах спектра

Приборы, используемые для инфракрасной съемки с летательных аппаратов, сконструированы исходя из этих особенностей атмосферы. Уже в течение многих лет геологи ведут исследования в области практического применения ИК-съемки.

Наиболее ярко проявляются возможности ИК-съемки при изучении районов активной вулканической и гидротермальной деятельности. В этом случае аномальные, высокотемпературные источники тепла находятся на поверхности, и ИК-изображение передает картину распределения теплового поля в момент съемки. Последовательная ИК-съемка тех же площадей позволяет выявить динамику изменения теплового поля, преодолеть наиболее активные зоны извержения. Например, ИК-изображение вулкана Килауэа на Гавайских островах дает четкую картину распределения теплового поля (рис. 14) На этом снимке основная тепловая аномалия (яркое светлое пятно) определяет положение кратера вулкана, менее интенсивные аномалии соответствуют выходам термальных вод и газов. На снимке можно проследить направление движения термальных источников по снижению интенсивности аномалии. На обычном аэрофотоснимке хорошо дешифрируется рельеф (положение кратера, водораздела и т. д.), поэтому совместное дешифрирование этих снимков позволяет детальнее изучить строение вулкана.

Рис. 14. Пример сопоставления инфракрасного (теплового) и аэрофотоснимка (по В. Фишеру и др.): а - аэрофотоснимок вулкана Килауэа (Гавайские острова); б - инфракрасное (тепловое) изображение того же участка. Наиболее теплые участки отображаются светлым фототоном; в - схема дешифрирования теплового снимка. Здесь выделены наиболее интенсивные тепловые аномалии, отвечающие жерлам действующего вулкана, отдельные тепловые аномалии, разбросанные по площади, отвечают участкам выхода термальных вод и горячих газов по трещинам

В СССР работы в этом направлении ведутся в районе действующих вулканов Камчатки. Уже получены ИК-изображения некоторых вулканов (Мутновский, Горелый, Авача, Толбачик и др.). При этом параллельно с ИК-съемкой осуществлялась обычная аэрофотосъемка. Совместная интерпретация их результатов позволила получить важные сведения о строении действующих вулканических очагов, недоступных для наземных наблюдений. Хорошие результаты дает ИК-съемка при гидрогеологических исследованиях. На ИК-изображениях по изменению тепловых контрастов земной поверхности можно выделять места повышенной влажности, связанные с наличием подземных вод. Особенно помогают ИК-методы при поисках грунтовых вод в пустынных и полупустынных зонах. С помощью ИК-съемки можно изучать также температурные аномалии водных бассейнов.

Всесторонний анализ ИК-изображений, полученных со спутников, показал, что при малооблачной погоде они хорошо передают термическую неоднородность поверхности Земли. Это дает возможность использовать их в геологических и географических исследованиях. На космических ИК-снимках хорошо видны береговая линия, гидрографическая сеть. Анализ ИК-снимков подтвердил, что эти изображения можно использовать для оценки ледовой обстановки. На ИК-изображениях также хорошо фиксируется тепловая неоднородность водной среды. Например, на снимках Атлантического океана по темным полосам определяется положение течения Гольфстрим.

Со спутников получают данные для составления температурной картины Земли с точностью порядка долей градуса. Подобные карты были созданы для различных регионов, на них хорошо выделяются тепловые аномалии.

Помимо ИК-съемки, со спутников ведется радиолокационная съемка Она использует для получения изображения микроволновой диапазон электромагнитного спектра. При этом фиксируется не только естественное излучение, свойственное окружающим нас объектам, но и искусственный радиосигнал, отраженный от объектов. В зависимости от природы электромагнитного излучения радиолокационную съемку подразделяют на активную (радарную) и пассивную (радиотепловую) .

Для решения геологических задач применяют радиолокаторы бокового обзора, которые устанавливают на летательных аппаратах. Посланный с них радиосигнал отражается от встречающихся на его пути объектов, улавливается специальной антенной и затем передается на экран или фиксируется на пленке. Из-за шероховатости поверхности отражения часть энергии посланного сигнала рассеивается и мы получаем диффузное (рассеянное) отражение. Интенсивность его зависит от соотношения шероховатости поверхности отражения с длиной волны. Если размеры частиц поверхности меньше половины длины волны, то они не дают рассеянного отражения. Благодаря этому радарную съемку можно вести в любое время суток и при любой погоде, так как облачность (за исключением грозовых туч) и туман не сказываются на качестве радарного изображения. Эта съемка при большой длине волны позволяет получить информацию об объектах, несмотря на обильную растительность и толщу нецементированных тонкозернистых осадков. Четкость радарного изображения зависит от степени шероховатости поверхности отражения, геометрической формы объекта, угла падения луча, поляризованности и частоты посланного сигнала, физических свойств поверхности отражения (плотность, влажность и др.). Если рельеф резко расчленен, то часть информации на изображении скрыта радарной тенью.

Геологическая интерпретация радарного изображения основывается на анализе структурных очертаний, тона, текстуры. Характер и полнота, геологической информации зависят от "выраженности" геологии в рельефе, степени эрозии, от влажности и характера распределения растительности. Детальное изучение особенностей радарного изображения показывает, что независимо от сложности геологического строения района наиболее достоверно дешифрируются структурные линии и линии разрывов, выраженные в рельефе местности. Ценность этой информации не вызывает сомнений, ибо элементы микрорельефа и рельеф вообще, как правило, отражают характер внутренней структуры геологических образований. На первом этапе дешифрирования нарушения, определяемые только по линейным формам рельефа, спрямленным участкам речных долин или линейному расположению растительности, выделяются как предположительные. И лишь последующий анализ геолого-геофизических данных может дать окончательную характеристику этих линейных фотоаномалий. По результатам дешифрирования радарного изображения составляются предварительно геологические, геоморфологические и другие карты. Опыт работы советских и зарубежных исследователей показывает, что радиолокационная съемка позволяет получить ценную информацию о строении Земли (рис. 15). При этом радиолокационные снимки дают детальное изображение рельефа, структурный план изучаемого региона и отражают изменение физических характеристик подстилающей поверхности (плотность, пористость, электропроводимость, магнитная восприимчивость). В настоящее время радарная съемка применяется при геологическом картировании, в геоморфологии, гидрогеологии и в географии.

Рис. 15. Радиолокационное изображение горного района Туркмении

Радиотепловая съемка регистрирует излучение природных объектов в диапазоне 0,3 см-10 см.

При наблюдении за земными объектами максимальные радиотепловые контрасты наблюдаются между водой и сушей. Это свидетельствует о возможностях метода для обнаружения запасов подземных вод. Большое преимущество радиотепловой съемки - ее независимость от состояния атмосферы. С помощью радиотепловой съемки можно обнаружить контуры крупных лесных пожаров при сплошной облачности и густом тумане. Опыт геологической интерпретации радиотеплового изображения указывает на возможность с его помощью изучать береговую линию, зоны повышенной вулканической активности и гидротермальной деятельности.

В настоящее время, помимо визуальных наблюдений, фотографии, телевидения и других методов, дающих изображение природных объектов, появилась возможность изучать их излучение с помощью спектрометрической съемки. Она проводится как с самолетов, так и с пилотируемых космических кораблей. Методика спектрометрической съемки заключается в измерении коэффициентов яркостей природных образований по сравнению с эталоном. При этом одновременно измеряется яркость подстилающей поверхности и специального экрана с заранее известным коэффициентом спектральной яркости. Наибольшее распространение получили непрерывные измерения коэффициентов спектральной яркости над природным объектом.

Опыт изучения природных образований на основе спектральных яркостей показывает, что надежное опознавание отдельных объектов требует съемки в узких зонах спектра. В этом случае обеспечивается необходимый контраст с окружающим фоном, причем количество диапазонов, необходимых для решения тех или иных задач, может варьировать. Например, Для опознавания растительного покрова нужно соотношение 2 и 3 коэффициентов спектральной яркости. При спутниковых экспериментах используются многоспектральные устройства, имеющие 4-6 интервалов наблюдения в видимом диапазоне, 3-4 интервала - в ближнем ИК-диапазоне, 2-4 интервала - в ИК-тепловом диапазоне, 3-5 каналов - в радиодиапазоне. Обработка полученных спектральных характеристик проводится с помощью ЭВМ.

Эксперименты по проведению спектрометрической съемки проводились с пилотируемых космических кораблей "Союз-7" и "Союз-9" и орбитальной станции "Салют". Были выполнены спектрометрические исследования над различными районами земного шара. Эти исследования были дополнены, расширены в последующих полетах пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций "Салют".

В последние 10-15 лет наряду с аэромагнитной съемкой стала вестись магнитная съемка с искусственных спутников Земли и орбитальных космических станций. С 1958 г. в Советском Союзе проведено несколько глобальных съемок Земли: в 1964 г.- с искусственного спутника Земли (ИСЗ) "Космос-49", а в 1970 г.- с ИСЗ "Космос-321". Исследования магнитного поля Земли с ИСЗ продолжаются и в настоящее время. С орбиты, близкой к полярной, за короткий срок можно осуществить площадную съемку всей планеты. Данные спутниковых измерений передаются на Землю и обрабатываются с помощью ЭВМ. Результаты этих измерений записывают в виде профилей вектора магнитного поля или карт главного магнитного поля Земли. Морфологически оно представляет собой поле, включающее мировые и значительные региональные аномалии.

Предполагается, что основная часть аномалий, выявленных с помощью спутников, обусловлена особенностями геологического строения и их источники находятся в литосфере.