«Космические методы в океанологии»

А. А. Большаков, кандидат технических наук КОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ОКЕАНОЛОГИИ

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в отечественной и зарубежной космонавтике все больший вес набирают программы дистанционного исследования Земли из космоса, с помощью автоматических искусственных спутников Земли (ИСЗ) и с борта пилотируемых орбитальных космических станций (ОКС). Разнообразная исследовательская аппаратура, установленная на советских и американских ИСЗ «Космос», «Метеор», «Нимбус», «НОАА», «Лэндсат» и др., на космических кораблях «Союз», «Джемини», «Аполлон», на ОКС «Салют» и «Скайлэб», позволила получить важную «космическую» информацию об облике нашей планеты, ее атмосфере, твердой поверхности и водной оболочке.

Значительная часть этих космических аппаратов (КА) предназначалась для нужд метеорологии, на борту многих других был установлен довольно универсальный комплекс исследовательской аппаратуры, предназначенный для изучения природных ресурсов Земли. Причем весьма многоплановая информация, получаемая с помощью подобных КА, частично использовалась метеорологами, частично − геологами, географами, гляциологами, представителями других наук о Земле и лишь незначительная часть информации применялась океанологами − специалистами в области исследования Мирового океана.

Этот, на первый взгляд, неожиданный факт можно объяснить тем, что для океанологов требуется в подавляющем большинстве случаев весьма специфичная информация, отличная от той, которая необходима специалистам, изучающим атмосферу или твердую оболочку Земли. Это обстоятельство, а также и всевозрастающая необходимость во всестороннем комплексном исследовании Мирового океана, потребности мореплавания послужили толчком к разработке новых методов дистанционных исследований и привели к созданию в СССР и США в конце 70-х годов специализированных океанологических ИСЗ, т. е. предназначенных только для исследования океана.

В рамках программы исследования Мирового океана из космоса в СССР были выведены на орбиты ИСЗ «Космос-1076» и «Космос-1151», а также созданные в сотрудничестве со специалистами ГДР, ВНР и ЧССР океанологические ИСЗ «Интеркосмос-20» и «Интеркосмос-21». В США в рамках программы исследования Мирового океана был выведен на орбиту ИСЗ «Сисат». Именно с запусками этих ИСЗ связано появление термина «космическая океанология», который в настоящее время стал широко распространенным и общеупотребимым.

О проблемах космической океанологии, об использовании космических методов и средств для исследования и освоения ресурсов Мирового океана и пойдет речь в данной брошюре.

ОСНОВЫ КОСМИЧЕСКОЙ ОКЕАНОЛОГИИ

За последние два-три десятилетия человечество все более пристальное внимание стало обращать на водную оболочку нашей планеты − Мировой океан. Причин этому много, и, по-видимому, одной из главных из них является настоятельная необходимость лучше познать сам океан, изучить происходящие в его глубинах и на поверхности процессы, подсчитать запасы минеральных и пищевых ресурсов и выяснить, как эффективнее использовать его в качестве транспортной магистрали. Сейчас, когда многие страны испытывают все более острый дефицит пищевого белка, когда истощаются ресурсы суши, когда на суше уже выработаны многие месторождения нефти и других полезных ископаемых, человечество возлагает все большие надежды на океан, на его богатства.

Программы исследования Мирового океана во всех развитых странах расширяются стремительными темпами. Просторы Мирового океана непрерывно бороздят научно-исследовательские суда (НИС) нескольких десятков стран. Только в нашей стране несколько сот больших и малых НИС участвуют в программах исследования океана. С помощью НИС за 200 лет, прошедших с начала научных исследований в Мировом океане, обследованы все, даже самые отдаленные его уголки, и, казалось бы, океанологи могут быть довольны сложившейся ситуацией. Но, к сожалению, это пока не совсем так.

Даже такие большие флотилии НИС уже не могут удовлетворить современных потребностей науки. Дело в том, что площадь, которую занимает на земном шаре Мировой океан, огромна − около трех четвертей поверхности нашей планеты. Его площадь превышает 360 млн. км2, а за один рейс НИС длительностью несколько месяцев можно обследовать только весьма незначительную ее часть. В глобальном же масштабе любой НИС за конкретный небольшой отрезок времени проводит измерения только в одной точке. И если, даже используя несколько НИС, можно получить на какой-то обширной акватории десятки таких «точек», то «состыковать» их данные, полученные зачастую в разное время, бывает порой весьма затруднительно.

Как показал опыт обработки информации с первых метеорологических ИСЗ, в этом случае на помощь океанологам могут прийти космические методы, которые не только помогают связать в единую картину данные измерений на отдельных НИС, но в ряде случаев дают принципиально новую информацию об океане, недоступную для сбора традиционными методами.

По предварительным оценкам, информативность спутниковых систем исследования Земли такова, что она в ряде случаев намного выше традиционных контактных методов. Определение, например, температуры поверхности Мирового океана с использованием только одного океанологического ИСЗ эквивалентно синхронным измерениям на 20 000 НИС. Как показали уже первые эксперименты, наблюдения Мирового океана из космоса с помощью ИСЗ и ОКС имеют ряд принципиальных особенностей, делающих их весьма привлекательными для всех ученых, занятых исследованием океана.

Во-первых, при наблюдении Земли из космоса даже обычным невооруженным глазом или с помощью специальной аппаратуры можно буквально одним взглядом окинуть огромную площадь. Если при полете КА по низким околоземным орбитам одним взглядом можно окинуть площадь в несколько десятков или сотен тысяч квадратных километров, то по мере подъема высоты ИСЗ она существенно увеличивается и для орбиты высотой несколько десятков тысяч километров достигает уже почти половины поверхности земного шара, т. е. десятков миллионов квадратных километров.

Конечно, детали земной поверхности хорошо различимы только в подспутниковой точке (в надире) или вблизи нее, поскольку при наблюдении областей, лежащих у линии горизонта, очень велики геометрические искажения и резко возрастает мешающее наблюдениям влияние атмосферы. Но если даже ограничиться углами 45 − 60° относительно вертикали, то все равно наблюдаемые из космоса площади поверхности Земли будут достаточно велики. На рис. 1 приведен график зависимости наблюдаемой площади поверхности Земли от высоты положения наблюдателя.

Особенно наглядно обзорность космических методов демонстрируют космические фотографии Земли, полученные с помощью КА, движущихся по высоким околоземным или лунным траекториям. В свое время в печати было опубликовано немало таких фотографий, выполненных с помощью советских КА «Молния» и «Зонд» и американских космических кораблей «Аполлон». И на многих из них отчетливо были видны крупные реки и озера, заливы, моря и континенты, целые океаны и даже крупнейший из них − Тихий океан. По-видимому, эти первые космические фотографии Земли привели океанологов к пониманию глобального характера многих проблем океанологии и дали мощный толчок разработке новых методов исследования Мирового океана.

Итак, подчеркнем еще раз: большая обзорность и информативность − одно из главных принципиальных отличий и достоинств космических методов изучения океана.

Во время движения ИСЗ по орбите проводится исследование поверхности Земли вдоль траектории полета, при этом информация от научных приборов может непрерывно или по заданной программе записываться на борту ИСЗ и передаваться на наземные пункты при пролете над ними. При запусках ИСЗ, предназначенных для исследования поверхности Земли и, в частности, Мирового океана, весьма серьезное внимание уделяется выбору параметров орбит ИСЗ, поскольку от этого зависит режим обзора тех или иных районов.

При выборе так называемых геосинхронных орбит обеспечивается регулярный пролет над одними и теми же районами Земли. Геосинхронные орбиты первого порядка обеспечивают ежесуточный пролет спутника над интересующими районами, а орбиты более высокого порядка обеспечивают двух-, трех- и более суточный цикл наблюдений. При создании космической системы, состоящей из нескольких геосинхронных спутников, интервалы наблюдений можно в соответствующее число раз уменьшить и добиться необходимой высокой периодичности получения информации.

Рис. 1. Зависимость сферического диаметра зоны видимости поверхности Земли от высоты положения наблюдателя

Однако строго геосинхронные орбиты не совсем выгодны для построения космической системы исследования Земли. ИСЗ на таких орбитах проходят все время над одними и теми же районами Земли, в то время как другие районы могут выпасть из их поля зрения. Поэтому на практике многие ИСЗ, предназначенные для исследования Земли, выводят на квазигеосинхронные орбиты, на которых ИСЗ каждые новые сутки проходят над новыми районами Земли и обеспечивают, таким образом, систематический последовательный обзор всей поверхности Земли.

Постоянство временных условий наблюдения Мирового океана можно обеспечить при использовании для океанологических ИСЗ солнечно-синхронных орбит. На таких орбитах ИСЗ пролетают над одними и теми же районами всегда в одно и то же местное время, что позволяет проводить исследования при неизменных условиях освещения поверхности Земли Солнцем. Для обеспечения полного обзора всей поверхности Мирового океана ИСЗ должен выводиться на орбиту с большим углом наклонения ее плоскости к плоскости экватора. Солнечно-синхронные околоземные орбиты имеют наклонения в диапазоне от 95 до 100°, что позволяет при их использовании исследовать и околополярные области Земли.

Естественно, что океанологические ИСЗ, как и другие ИСЗ, предназначенные для изучения поверхности Земли, целесообразно выводить на круговые орбиты, что позволяет получать информацию в неизменном масштабе и существенно упростить алгоритмы ее обработки. Высоты орбит запущенных и разрабатываемых океанологических ИСЗ лежат в интервале 600 − 1000 км. Нижняя граница выбирается обычно из условия обеспечения достаточно продолжительного (до одного года и более) времени существования ИСЗ, а верхняя − из условия обеспечения необходимого обзора поверхности Земли и заданного пространственного разрешения передаваемой информации.

На орбитах такой высоты ИСЗ за сутки совершает 14 − 16 витков вокруг Земли, и поскольку Земля вращается, то на каждом витке ИСЗ проходит над новым районом ее поверхности. Таким образом, проекция его орбиты на поверхность Земли (трасса полета ИСЗ) покрывает поверхность земного шара равномерной сеткой. На рис. 2 в качестве примера приведена трасса полета за одни сутки исследовательского ИСЗ «Лэндсат».

Рис. 2. Трасса полета ИСЗ «Лэндсат» за одни сутки (по вертикали − широта, по горизонтали − долгота в градусах)

Межвитковый сдвиг трассы полета максимален на экваторе и достигает 2,8 тыс. км, поэтому для обеспечения ежесуточного наблюдения поверхности Земли без пропусков необходима исследовательская аппаратура именно с таким полем зрения. На высоких широтах трассы отдельных витков пересекаются, что позволяет повысить периодичность наблюдений этих районов Мирового океана. Суточный сдвиг трассы полета ИСЗ, как отмечено выше, выбирается из условия сплошного «покрытия» поверхности Земли с помощью бортовой аппаратуры, имеющей сравнительно узкое поле зрения. Для каждого конкретного ИСЗ он выбирается отдельно.

В последние годы некоторые экспериментальные ИСЗ, предназначенные для исследования Земли, стали выводиться на так называемые стационарные орбиты. Эти круговые орбиты имеют нулевое наклонение, т. е. лежат в плоскости экватора, а их высота над поверхностью Земли составляет около 36 тыс. км. На такой орбите ИСЗ совершает один оборот вокруг Земли ровно за одни сутки, поэтому для земного наблюдателя он кажется расположенным неподвижно относительно поверхности Земли. С борта такого ИСЗ несложно организовать наблюдения за одним и тем же районом Земли, но наблюдения районов самых высоких широт с этих ИСЗ невозможны.

Все известные в настоящее время космические методы исследования Мирового океана основаны на регистрации на борту ИСЗ (с последующим анализом) собственного и отраженного электромагнитных излучений океана. В последнем случае предполагается зачастую наличие на борту ИСЗ мощного источника электромагнитного излучения, с помощью которого происходит зондирование океанских вод (так называемые активные методы). Электромагнитные волны, излучаемые в космос толщей или поверхностью Мирового океана, являются, таким образом, для космических океанологов единственным источником информации об океане.

Другими словами, все космические методы исследования Мирового океана − по своей сути дистанционные, или неконтактные методы. И еще одна, их особенность − они являются еще и косвенными, или непрямыми методами, когда по зарегистрированной на борту КА интенсивности электромагнитного излучения океана необходимо судить, например, о концентрации тех или иных примесей. При этом величины океанологических параметров, интересующие ученых, можно найти путем проведения сложных математических вычислений. Это второе основное отличие космических методов изучения Мирового океана от традиционных.

Указанные особенности осложняют обработку данных, получаемых при зондировании океана из космоса, и принципиально ограничивают область применения космических методов в океанологии. Для обработки данных дистанционного зондирования необходимо привлекать, как правило, нетривиальный математический аппарат и вести обработку первичной информации с помощью быстродействующих мощных ЭВМ. В ряде случаев для калибровки данных, полученных в ходе спутниковых исследований, необходимо привлекать результаты измерений, проводимых с обычных НИС или автономных буйковых станций. В общем, как правило, чтобы извлечь полезную информацию из данных зондирования Мирового океана из космоса, необходимо проделать большую подготовительную и вычислительную работу.

Здесь следует также отметить, что информацию об океане, особенно о строении его дна, можно получить в принципе и при исследовании характеристик гравитационного или магнитного поля Земли с борта ИСЗ, но пока эти методы в космической океанологии применения не нашли.

Рис. 3. Пропускание электромагнитных волн атмосферой Земли в различных диапазонах

Разработанные к настоящему времени космические методы изучения Мирового океана из космоса позволяют проводить исследования во всех известных «окнах прозрачности» (рис. 3) атмосферы − видимом и ближнем инфракрасном (на волнах с длиной от 0,4 до 1,2 мкм), тепловом инфракрасном (3 − 5, 8 − 13 мкм) и радиоокне (1 мм − 10 м). Поскольку решаемые при этом задачи в каждом из этих диапазонов существенно отличаются и существенно различны методы и аппаратура для проведения измерений, рассмотрим отдельно возможности и перспективы исследований океана в каждом из диапазонов.

ИССЛЕДОВАНИЯ ОКЕАНА ИЗ КОСМОСА В ВИДИМОМ И БЛИЖНЕМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНАХ

В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра электромагнитное излучение Мирового океана представляет собой отраженное поверхностью или рассеянное его водной толщью излучение Солнца. Температура океана не превышает нескольких десятков градусов Цельсия, поэтому в силу действия известных физических законов собственное излучение океана в рассматриваемых диапазонах практически отсутствует.

Активные оптические методы достаточного развития пока не получили, поэтому исследования Мирового океана из космоса в этом диапазоне спектра можно проводить только на освещенной стороне Земли (когда, собственно, и возможно изучение солнечного излучения, отраженного океаном). Прозрачность чистой безоблачной атмосферы здесь довольно высока, и мешающее воздействие атмосферы при исследованиях в надир или вблизи от этого направления невелико.

Простейшим, но одним из наиболее информативных методов исследования Мирового океана из космоса в видимом диапазоне спектра, не требующим, по существу, никакого оборудования, является метод визуальных наблюдений с борта космического корабля или пилотируемой орбитальной станции. Результаты исследований при этом могут быть перенесены на специально подготовленные планшеты или просто зарисованы. В некоторых случаях наблюдаемые космонавтами явления могут быть сфотографированы с помощью фотоаппаратов и, таким образом, строго задокументированы.

Первыми визуальными наблюдениями Мирового океана из космоса были наблюдения космонавтов первых пилотируемых космических кораблей. Еще Ю. А. Гагарин после своего исторического полета говорил, что голубой цвет океана при наблюдении из космоса не кажется неизменным. При взгляде на океан с орбиты хорошо видны районы, имеющие различную окраску, отчетливо выделяется прибрежная полоса, можно разглядеть рельеф дна на мелководье. Опыт работы в космосе многих других советских и американских космонавтов также свидетельствует о высокой информативности визуальных наблюдений Мирового океана с космических высот.

Методика визуальных исследований Земли из космоса проста и не отличается существенно от методики обычных аэровизуальных наблюдений. Цветовые оттенки суши, облаков и акваторий приблизительно те же, что и при наблюдениях Земли с высоты 10 км. Хорошо различимы оттенки различных цветов, однако тестовые измерения зрения космонавтов, выполненные при полетах космических кораблей «Союз-3» − «Союз-5» и других, показали, что контрастная чувствительность зрения космонавтов во время полета снижается, как правило, на 10 − 20 %. В условиях космического полета на 20 − 25 % также снижается по сравнению с земными условиями восприятие яркости цветов, особенно красных оттенков.

Поле зрения космонавта при наблюдении им Земли из космоса определяется размерами иллюминатора космического корабля и расстоянием от иллюминатора до глаза космонавта. Например, при диаметре иллюминатора 30 см и его расстоянии от глаза тоже 30 см поле зрения космонавта при наблюдении Земли составляет 60°. При необходимости космонавт может еще варьировать положением этого поля зрения (сканировать им), перемещаясь относительно иллюминатора.

При наблюдении Мирового океана из космоса особенно хорошо заметны большие изменения цветового тона океана в океанических фронтальных зонах − там, где соприкасаются водные массы разной степени насыщенности красящими взвесями, на границах крупных течений, на мелководье. Так, например, теплые воды тропиков бедны жизнью и имеют насыщенный сине-зеленый цвет, а холодные воды умеренных широт имеют ярко выраженный зеленый оттенок, обусловленный высокой концентрацией различных микроводорослей, и поэтому зоны смешения этих вод отчетливо заметны.

Лучше всего, по данным бортинженера ОКС «Салют-6» В. Рюмина, проводить визуальные наблюдения цвета океана при высоком положении солнца, когда цветовые контрасты океанских вод особенно заметны. При низком солнце весь океан кажется однотонным, темно-голубым, но зато лучше проявляются поверхностные явления, вихри, течения, следы внутренних волн.

Список наблюдаемых глазом из космоса явлений и объектов довольно велик. С высоты нескольких сотен километров уверенно определяются границы конусов выноса мутных речных вод в море, просматривается рельеф дна на мелководье, определяются характеристики мезомасштабных, т. е. имеющих размеры порядка нескольких сот километров, океанических вихрей, различается даже тип планктона в биопродуктивных районах, замечаются кильватерные следы судов и т. д.

При наблюдении Мирового океана из космоса исследования ведутся в широком, непрерывно изменяющемся диапазоне углов зрения и условий освещенности. Глаз космонавта при этом просматривает обширную площадь поверхности океана и выделяющиеся на его фоне объекты рассматриваются более детально. В силу высоких адаптационных характеристик человеческого зрения космонавту удается разглядеть и зафиксировать в памяти многие интересующие детали, даже если их время наблюдения не превышает нескольких секунд. Избирательная способность человеческого зрения и логический анализ данных наблюдений вооружают космонавта-исследователя такими возможностями комплексного восприятия наблюдаемых явлений, которые в настоящее время не могут быть достигнуты никакой аппаратурой.

Высокая ценность визуальных наблюдений Мирового океана из космоса определяется совершенством человеческого глаза как измерительного инструмента, а также способностью человека мгновенно перерабатывать воспринимаемые изображения, отделять существенное от несущественного, подмечать новые черты в хорошо известном, улавливать загадочные и необычные явления. Особенно резко увеличиваются наблюдательные способности космонавтов при их хорошей предварительной подготовке, и вполне вероятно, что в недалеком будущем в составе экипажей орбитальных станций появятся космонавты-океанологи.

Значительно увеличивается эффективность визуальных наблюдений океана из космоса и в условиях длительного полета, при многократных наблюдениях одного и того же района. Космонавты в этом случае сразу узнают знакомые районы и подмечают происшедшие в них изменения. Это обстоятельство отмечалось многими космическими экипажами и особенно основными экипажами ОКС «Салют-6».

Иногда космонавты при наблюдении океана замечали такие явления и объекты, что ставили в тупик специалистов по оптике океана. Еще при полетах на первых космических кораблях было замечено, что космонавты хорошо различают малоразмерные объекты на океанском фоне, даже такие небольшие, как отдельные корабли. Долгое время это казалось нереальным, но потом ученые разобрались в этом явлении и поняли, что недооценивали адаптационные характеристики человеческого зрения, выяснили, что в условиях космического полета острота зрения у космонавтов может заметно повышаться.

Несколько раз космонавты докладывали, что отчетливо видели в океане подводные океанические хребты на глубинах несколько сот или даже тысяч метров. Специалисты по оптике утверждают, что это невозможно, поскольку даже самая прозрачная океанская вода полностью поглощает солнечный свет в слое толщиной всего несколько сот метров (следовательно, напрямую видеть дно океана на больших глубинах невозможно). Анализ этих интересных данных показывает, что, по-видимому, в этом случае космонавты наблюдают некоторое другое явление, связанное каким-то образом с рельефом океанского дна или просто на него похожее.

Возможно, так проявляются при наблюдении из космоса неровности рельефа океанской поверхности, связанные, как выяснилось, с рельефом дна и открытые в последнее время с помощью космических альтиметров. А может быть, это проявляются вертикальные движения океанских вод, отслеживающие подводный рельеф и делающие скрытое видимым при их выходе на поверхность. Вероятно и то, что с орбиты просто видны вариации пространственного распределения минеральных и органических взвесей, которые могут концентрироваться в океанском слое скачка плотности воды на глубинах 30 − 100 м.

На этих глубинах в летнее время в океане развивается слой резкого изменения плотности воды и в нем могут накапливаться различные примеси. При наблюдении с большой высоты (из космоса) пространственное распределение этих взвесей, которое носит случайный характер, может иметь такую структуру, что воспринимается как изображение каких-то знакомых космонавтам объектов (в данном случае горных хребтов, которые они видят на каждом витке, пролетая над настоящими горами). Однако возможен и просто обман зрения, подобно тому, как долгое время, например, астрономы отчетливо «видели» в телескопы «каналы» на Марсе, но которых там на самом деле не оказалось.

Науке еще предстоит здесь многое выяснить.

При исследовании поверхности Мирового океана под малыми углами визирования и вблизи границ солнечного блика космонавты иногда наблюдают неровности рельефа океанской поверхности в виде отдельных валов и впадин. Так, по данным третьего основного экипажа ОКС «Салют-6» В. Ляхова и В. Рюмина, на одном из витков они видели в Индийском океане в 250 − 300 км от побережья Африки какое-то «вздыбливание» воды. Узкая полоса «вздыбленной» воды имела в длину около 100 км, а в ширину − всего 1,5 − 2 км. От нее была даже заметна тень на воде или что-то в этом роде. У космонавтов было такое впечатление, будто в океане столкнулись два вала и поднялись высоко вверх.

Что это за интересное явление, увиденное космонавтами, океанологи тоже пока однозначно не могут объяснить. Возможно, это видимое с орбиты проявление внутренних океанских волн, может быть, это упомянутые неровности рельефа океанской поверхности, а, вероятно, это результат гидродинамического взаимодействия океанских течений. Во всяком случае, явления эти очень интересуют океанологов и для их ясного понимания необходимо провести еще много дополнительных экспериментов.

В самое последнее время стали развиваться так называемые визуально-инструментальные методы исследования Мирового океана из космоса, расширяющие возможности человеческого зрения. В самом простом случае при этом могут использоваться бинокли и зрительные трубы, например, для исследования небольших по масштабам явлений или объектов. Возможности наблюдения Мирового океана при низкой освещенности и на ночной стороне орбиты значительно расширяются с применением приборов ночного видения с оптико-электронным усилением света.

Для получения космонавтами точных колориметрических оценок исследуемых объектов можно также использовать соответствующие приборы. В простейшем случае ими могут быть обычные таблицы цветности морских вод или наборы кювет с водой различной окраски (типа широкоизвестных в классической океанологии шкал цветности Фореля−Уля). Для более точных измерений цвета вполне применимы оптико-электронные колориметры.

В общем, визуальные исследования Мирового океана из космоса пока проходят период методического становления, но уже сейчас ясно, что они могут при соответствующей организации принести много полезного и интересного для океанологии.

Одним из наиболее отработанных методов исследования поверхности Земли из космоса является космическое фотографирование. Специально сконструированные для работы в космосе фотоаппараты устанавливают на борту автоматических ИСЗ и пилотируемых ОКС, и к настоящему времени уже получены сотни тысяч фотографий поверхности Земли, в том числе и фотографий океана.

Даже обычная черно-белая, а тем более цветная фотография, может содержать в себе много океанологической информации. Практически на космической фотографии океана может быть запечатлено многое из того, что может увидеть глаз космонавта, за исключением самых малоконтрастных объектов. С другой стороны, информационные возможности современной фотографии в ряде случаев шире возможностей человеческого зрения, и с помощью специальных видов фотографии можно зарегистрировать то, что не видно невооруженным глазом.

При получении информации о Мировом океане в виде фотоизображений дешифрируемость тех или иных океанических объектов зависит от величины их контраста (или относительного превышения яркости). На некотором фоне объект виден только тогда, когда его контраст больше некоторой пороговой величины, определенной для конкретных условий. Для различных наблюдательных систем величина этого порога существенно различна. Так, глаз человека, несмотря на некоторое снижение его контрастной чувствительности в условиях невесомости, различает объекты, имеющие контраст порядка 1 − 2 %. Фотографические же и телевизионные системы в этом смысле гораздо менее чувствительны и их пороговые значения контраста лежат в пределах 10 − 20 %.

Это обстоятельство, кстати, является причиной того, что на многих сделанных космонавтами фотографиях не дешифрируется ряд океанологических объектов, которые ими были замечены и сфотографированы в сеансах визуальных исследований Мирового океана.

Существующие космические фотографические системы имеют фокусные расстояния съемочных объективов порядка нескольких единиц или десятков сантиметров. Съемка производится на пленку шириной от 6 до 30 см, что позволяет на одном кадре запечатлеть с хорошим пространственным разрешением поверхность Мирового океана площадью до нескольких миллионов квадратных километров. Разрешающая способность современных фотографических систем довольно высока, и на полученных с их помощью фотографиях дешифрируются океанические объекты с линейными размерами порядка нескольких метров.

При черно-белой съемке на изопанхроматическую пленку как бы измеряется относительная яркость объектов в широком диапазоне длин волн (400 − 800 нм). При этом объекты, имеющие одинаковую интегральную яркость, но различную цветность, например, с синим или красным оттенком, неразличимы, что хорошо известно всем знакомым с основами фотографии. Чтобы подчеркнуть различие в спектральных образах разных природных образований, можно проводить синхронную съемку в двух или трех зонах спектра.

Например, при съемке в областях спектра, которые соответствуют чувствительности зрительных рецепторов человеческого глаза − синей, зеленой и красной, получается цветное изображение объекта в естественных цветах. На использовании этого принципа и трехслойных светочувствительных фотоматериалов построена вся обычная цветная фотография, которая является аналогом трехцветного человеческого зрения и по своим информационным характеристикам примерно ему соответствует. В последние годы при проведении фотосъемок Земли из космоса стали широко использоваться новые, более информативные методы исследования, в первую очередь спектрозональная и многозональная съемки.

При спектрозональной съемке с использованием многослойных фотоматериалов применяются принципы обычной цветной фотографии, но спектральная чувствительность слоев выбирается такой, чтобы лучше выявить объекты, интересующие ученых. Для съемки Мирового океана из космоса один из слоев фотопленки можно сделать чувствительным к лучам ближнего инфракрасного диапазона с длинами волн до 1 мкм. В результате можно решить ряд интересных задач, которые недоступны для визуальных или обычных фотографических методов.

В первую очередь к ним относятся, например, задачи по обнаружению и исследованию нефтяных загрязнений Мирового океана и по оценке его биопродуктивности. В ближнем инфракрасном диапазоне чистая вода полностью поглощает падающий на нее свет, а загрязненная вода хоть и немного, но его отражает. Аналогично влияет на отражение воды в этом диапазоне и содержание в воде водорослей и других взвесей. Поэтому пятна нефтяных загрязнений Мирового океана и его районы с высоким содержанием различных примесей проявляются на спектрозональных снимках (например, на отечественных пленках типа СН-6, СН-8) в виде характерных розовых пятен.

Еще более высокими возможностями выделения тонких спектральных отличий различных природных образований обладают методы многозональной фотосъемки, основанные на проведении синхронной съемки природных объектов в нескольких узких спектральных интервалах. Разработанный специалистами СССР и ГДР многозональный космический фотоаппарат МКФ-6 является одним из наиболее совершенных аппаратов подобного класса. При его помощи съемка поверхности Земли может осуществляться одновременно в шести зонах спектра.

В первых экспериментах по исследованию земных ресурсов использовались зональные светофильтры, имевшие максимумы пропускания света на длинах волн 480, 555, 600, 665, 730 и 840 нм. Ширина каждой съемочной зоны была довольно небольшой и не превышала 40 км. Кривые спектральной чувствительности всех съемочных диапазонов фотоаппарата МКФ-6 приведены на рис. 4. При съемке с высоты 250 км каждый снимок охватывает поверхность Земли площадью 115 × 165 км с разрешением на местности порядка 10 − 20 м. В аппарате МКФ-6 используются различные типы фотоматериалов и для их фотометрической калибровки в каждый кадр в момент съемки впечатывается фотометрический клин.

Первые летные испытания фотоаппарата МКФ-6 были проведены в 1976 г. при полете космического корабля «Союз-22» в рамках эксперимента «Радуга», а в настоящее время этот аппарат устанавливается уже в качестве штатного на всех ОКС типа «Салют».

Рис. 4. Кривые спектральной чувствительности съемочных диапазонов фотоаппарата МКФ-6

Анализ и интерпретация фотоизображений Мирового океана, полученных в отдельных зонах, производится с использованием четырехзонального проектора МСП-4, с помощью которого осуществляется проекция на специальный экран увеличенных совмещенных изображений. При этом изображение на экране МСП-4 можно получить в реальных или условных цветах.

Использование многозональных принципов фотосъемки Мирового океана позволяет регистрировать довольно тонкие вариации цвета океанской поверхности и решать, в частности, задачу изучения распределения зон повышенной биопродуктивности океана в масштабах всей Земли. Естественно, для решения этих задач многозональные космические фотоаппараты должны иметь высокие абсолютные (до 15 − 20 %) и относительные (до 3 − 5 %) точности фотометрических измерений, что вполне достижимо при современном развитии этого направления.

Однако при всех своих достоинствах фотографические методы исследования Земли из космоса имеют один существенный недостаток, связанный с необходимостью доставки экспонированных фотоматериалов на Землю для их последующей обработки. Особенно это касается методов исследования Мирового океана, которые из-за быстрой изменчивости протекающих в нем процессов должны иметь высокую оперативность и периодичность поступления информации.

Для решения многих задач океанологии и, что особенно важно, для прогноза тех или иных явлений в Мировом океане океанологам необходимо получать информацию с запаздыванием не более нескольких часов и с периодичностью до нескольких раз в сутки. Естественно, в этом случае фотографические методы помочь океанологам не могут и данная проблема может быть решена только с использованием телевизионных систем.

Первые телевизионные изображения поверхности Земли из космоса были получены еще в начале 60-х годов, при запусках первых метеорологических ИСЗ. Хотя эти изображения имели низкое пространственное (порядка 1 − 2 км) и спектральное (8 − 16 градаций интегральной яркости в области спектра 500 − 800 нм) разрешение, они позволяли определять участки Мирового океана, покрытые льдом, выделять мелководные участки, изучать крупные океанские течения и т. д.

Наиболее широкое распространение за прошедшие годы получили так называемые телевизионные системы с механическим сканированием луча. В такой системе (рис. 5) развертка изображения поверхности Земли вдоль трассы полета ИСЗ осуществляется за счет движения самого ИСЗ, а в поперечном направлении − за счет качания приемной телевизионной трубки или специального зеркала.

Пространственное разрешение в этой телевизионной системе определяется мгновенным полем зрения оптической системы, а спектральное − характеристиками разделительных фильтров и чувствительностью приемников излучения. Ширина полосы обзора зависит от высоты полета ИСЗ и угла качания поворотного зеркала. Информация с телевизионной системы может передаваться на Землю в реальном масштабе времени или записываться на бортовом магнитофоне для ретрансляции в подходящий момент при пролете ИСЗ над пунктом связи.

В начале 70-х годов появились многоканальные космические сканирующие системы, имеющие пространственное разрешение лучше 100 м и спектральное разрешение − лучше 100 нм. С помощью этих приборов можно уже получать информацию, сопоставимую по своим фотометрическим и другим характеристикам с информацией фотографических систем.

Телевизионные изображения поверхности Земли, переданные, например, ИСЗ «Лэндсат», имели пространственное разрешение около 70 м при площади кадра 185 × 185 км. Электромеханическая сканирующая телевизионная система этого ИСЗ производила синхронную съемку поверхности Земли в четырех зонах видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра (в зонах длин волн 0,5 − 0,6; 0,6 − 0,7; 0,7 − 0,8 и 0,8 − 1,1 мкм), что позволяло после соответствующей обработки на ЭВМ получать изображения подстилающей поверхности в так называемых условных цветах с хорошей цветовой градацией различных природных образований.

С помощью этой системы можно было уже решать значительно более широкий круг океанологических задач. В специальной научной литературе приведены данные о том, что на некоторых изображениях, переданных ИСЗ «Лэндсат», определены районы Мирового океана, загрязненные нефтепродуктами и отходами промышленных предприятий, обнаружены неизвестные ранее районы повышенной биопродуктивности, выделены мелководные участки, зоны смешения речных и морских вод, обнаружены следы внутренних волн и т. д.

Рис 5. Принцип работы многозональной телевизионной сканирующей системы: 1 − качающееся зеркало, 2 − зеркальный объектив, 3 − светофильтры, 4 − приемники излучения

При этом можно отметить, что съемка в коротковолновом диапазоне (0,5 − 0,6 мкм), где поглощение света в океанской воде минимально, позволяет наилучшим образом решать задачу изучения подводного рельефа и биопродуктивности вод, а съемка в длинноволновых диапазонах (0,7 − 0,8 и 0,8 − 1,1 мкм) − более отчетливо выделять поверхностные эффекты. Наконец, совместная обработка данных коротковолновых и длинноволновых диапазонов способствует эффективному обнаружению поверхности океана, загрязненной нефтепродуктами.

К достоинствам космических телевизионных систем относится также и возможность простого ввода информации в ЭВМ, где она может быть обработана (по довольно сложным алгоритмам) для устранения геометрических, фотометрических и других искажений. При обработке видеоинформации на ЭВМ можно получить окончательные результаты в любой картографической проекции с использованием данных произвольного числа спектральных зон, что значительно повышает информативность данных дистанционного зондирования.

С применением космической фото- и телеинформации удалось уже решить ряд интересных задач океанологии. Одной из них является, например, задача обнаружения и исследования динамики упомянутых выше внутренних волн. Эти волны возникают в океане на глубинах несколько десятков метров, там, где происходит изменение плотности глубинных слоев воды. Внутренние волны определяют прохождение звука в толще океанских вод, безопасность плавания подводных судов. Как считают многие специалисты, внутренние волны явились причиной гибели несколько лет назад американской атомной подводной лодки «Трэшер».

Изучение этих волн традиционными контактными методами требует больших затрат времени и привлечения многих НИС. На космических же фотографиях они иногда непосредственно видны и можно измерить их некоторые параметры. Внутренние волны развиваются в глубинах океана и непосредственно на поверхности не наблюдаются, но ряд связанных с ними специфических явлений позволяет обнаруживать их на космических фотографиях. Можно назвать по крайне мере три характерных вида взаимодействия внутренних волн с поверхностным слоем океана, которые делают их видимыми.

Колебательные перемещения частиц воды во внутренних волнах могут достигать поверхности океана и там, взаимодействуя с течением и ветром, способны влиять на форму и распределение ряби и мелких волн. При этом на поверхности океана будут наблюдаться перемежающиеся полосы ряби и гладкой воды.

Такую картину на поверхности океана можно иногда видеть даже невооруженным глазом при наблюдении океана с высокого берега. Ширина таких полос может достигать нескольких сотен метров, а длина − многих километров. Измерения с помощью НИС показали, что под покрытыми рябью полосами находятся гребни внутренних волн, а под гладкими участками − впадины. Полосы ряби и гладкой воды по-разному отражают солнечные лучи, что и приводит к их проявлению на космических фотографиях.

С движением частиц воды во внутренних волнах при их выходе на поверхность может быть связано неравномерное распределение поверхностно-активных веществ, влияющих на форму поверхностных волн и отражательные свойства поверхности океана.

В прибрежных районах, особенно там, где поверхностный слой океана сильно замутнен, обнаружение внутренних волн на фотографиях связано с тем, что на гребнях волн более прозрачные воды нижнего слоя поднимаются ближе к поверхности (на космических фотографиях эти гребни проявляются более темным тоном). В ложбинах внутренних волн слой мутной воды толще и поэтому выглядит на фотографиях светлее.

На многих космических фотографиях, полученных экипажами космических кораблей «Союз» и «Аполлон», ОКС «Салют» и «Скайлэб», видны проявления внутренних волн. Эти волны обнаружены, например, у побережья Колумбии, у Галапагосских островов, у Камчатки, в Арафурском море и ряде других районов.

Однако несмотря на общую высокую информативность, ни фотографические, ни телевизионные методы в современном виде не могут помочь в решении некоторых задач океанологии, которые требуют высокого спектрального разрешения первичной информации. К числу этих задач относится, например, задача изучения распределения хлорофилла в глобальном масштабе. Если качественную картину его распределения в Мировом океане можно еще получить с помощью фототелевизионных методов, то для количественных оценок необходимы более тонкие спектральные методы.

Хлорофилл − это зеленое вещество, преобразующее солнечный свет в биомассу. Хлорофилл − основа жизни на Земле, он входит в состав растений суши и микроскопических океанских водорослей − фитопланктона. Поэтому задача изучения его распределения чрезвычайно важна, и решить ее можно дистанционными методами.

Из лабораторных исследований известно, что хлорофилл имеет две четко выраженные полосы поглощения солнечного света. Одна из них, более сильная, лежит в сине-фиолетовой области спектра и соответствует излучению с длинами волн 0,42 − 0,46 мкм, а другая − в красной области и соответствует волнам длиной 0,66 − 0,70 мкм. В области 0,5 − 0,6 мкм хлорофилл интенсивно отражает падающий свет, и это определяет его насыщенный зеленый цвет (как и зеленый цвет всех растений). Если провести точные измерения спектра излучения света, рассеянного океанской толщей, то по характеристикам этого спектра можно оценить концентрацию хлорофилла, содержащегося в воде, или фитопланктона.

Такова основная идея дистанционных измерений этого океанологического параметра, но на практике она встречается с некоторыми трудностями. Во-первых, в ряде случаев синяя полоса хлорофилла в спектре излучения морской воды просто не видна. Она замаскирована поглощением растворенного органического вещества, концентрация которого хотя и коррелирует с содержанием хлорофилла, но мешает измерениям. Во-вторых, при использовании данного метода космических исследований необходимо учитывать искажающее влияние атмосферы. Для уменьшения этого влияния необходимо точно измерять интенсивность излучения океанской поверхности в узких, шириной 10 − 15 нм, спектральных диапазонах вблизи полос поглощения. Решить эту задачу можно с помощью многоканальных спектрофотометров, обладающих достаточным быстродействием.

Первые космические спектрофотометрические исследования поверхности Мирового океана с целью оценки его биопродуктивности выполнялись с борта ОКС «Салют-6» при использовании болгарского ручного спектрофотометра «Спектр-15» и с помощью ИСЗ «Интеркосмос-20» и «Интеркосмос-21», имевших на борту 13-канальный спектрофотометр МКС-13, разработанный специалистами СССР и ГДР. Спектрофотометр МКС-13 работает в семи «морских» каналах, центрированных относительно длин волн 415, 450, 485, 535, 570, 620 и 675 нм, и в шести «атмосферных» каналах, центрированных относительно длин волн 758, 760, 763, 777, 794 и 823 нм. Ширина «морских» каналов на уровне 50 % интенсивности сигнала была выбрана равной 10 нм, а «атмосферных» − 1,5 нм.

Такой выбор зон позволяет оценивать интенсивность радиации в полосах поглощения хлорофилла и вблизи них и определять поглощение солнечной радиации в атмосфере, что необходимо для корректировки данных «морских» каналов. Первые результаты обработки данных зондирования Мирового океана при помощи спектрофотометра МКС-13 подтвердили принципиальную возможность использования этого метода для изучения распределения фитопланктона в глобальном масштабе.

В сентябре 1978 г. был запущен американский экспериментальный ИСЗ «Нимбус-7», на борту которого вместе с другими приборами было установлено многоканальное спектрофотометрическое сканирующее устройство для изучения распределения цветовых характеристик Мирового океана в прибрежных зонах. Этот прибор давал изображения океана в пяти зонах спектра − на длинах волн 443; 520, 550, 670 и 750 нм. Для обработки информации, полученной с помощью этого прибора, были разработаны довольно эффективные алгоритмы, позволяющие устранить мешающее влияние атмосферы. Применение этого прибора для определения концентрации хлорофилла показало, что ее можно определять с точностью до 50 %, а это вполне сопоставимо с точностью обычных контактных методов и удовлетворяет потребности практики.

По современным оценкам, перспективность спектральных методов при изучении распределения жизни в Мировом океане не вызывает сомнений. Аппаратуру, построенную на использовании изложенных выше принципов, предполагается устанавливать на проектируемых океанологических ИСЗ «Сисат-2», «МОС-1», ОКС «Спейслэб» и других КА, запуски которых намечены на вторую половину 80-х годов.

Все перечисленные оптические методы исследования Мирового океана из космоса являются, по своей сути, пассивными методами и основаны на изучении солнечного излучения, отраженного поверхностью океана или рассеянного его водной толщей. Активные методы, связанные с облучением океана с борта ИСЗ, для работы в этой области спектра долгое время не разрабатывались из-за серьезных ограничений энергетического характера, однако в последнее время стали появляться сообщения о возможности и перспективности зондирования Мирового океана из космоса с помощью так называемых лидаров, или лазерных локаторов оптического диапазона. Как показывают предварительные оценки, с помощью этих приборов можно будет очень точно решать задачи космической альтиметрии (с точностью до нескольких сантиметров) и, кроме того, при применении лидаров, работающих в сине-зеленой области спектра, можно будет проводить глубинное зондирование океанских вод вплоть до глубин несколько десятков или даже сотен метров.

ИССЛЕДОВАНИЯ ОКЕАНА ИЗ КОСМОСА В ТЕПЛОВОМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ СПЕКТРА

В тепловом инфракрасном диапазоне спектра имеется два «окна прозрачности» атмосферы − в интервалах длин волн 3 − 5 и 8 − 13 мкм, где также можно проводить космические исследования Мирового океана. В первом из этих «окон» собственное тепловое излучение океана соизмеримо по интенсивности с отраженным солнечным, поэтому измерения температуры океана должны производиться только на теневой стороне орбиты. Во втором «окне» отраженная солнечная радиация практически отсутствует, и Тепловые измерения не зависят от условий освещенности поверхности Земли Солнцем.

Прозрачность атмосферы в этих «окнах» довольно высока, но при точных температурных измерениях требуется учитывать и поглощение излучения атмосферой Земли. Для точного определения передаточной функции атмосферы необходимо знать вертикальные профили (распределение с высотой) температуры и влажности воздуха, а также вертикальное распределение и оптические характеристики аэрозоля (облачности). Точная оценка этих величин возможна только с привлечением дополнительных данных зондирования атмосферы в видимом, ближнем инфракрасном и микроволновом диапазонах спектра. Для приближенных расчетов температуры подстилающей поверхности можно обойтись и простыми оценками атмосферных помех.

Набор гидрофизических параметров, определяемых при зондировании Мирового океана из космоса в этой области спектра, весьма ограничен, но зато среди них находится один параметр, представляющий большое практическое значение, − температура поверхностного слоя океана.

Точное знание о распределении этой температуры позволяет определять границы океанских течений, положение фронтальных зон, следить за перемещениями океанических мезомасштабных вихрей, находить районы повышенной биопродуктивности, оценивать взаимодействие океана и атмосферы и решать ряд других важных задач.

Информацию о температуре поверхностного слоя океана несет инфракрасное тепловое излучение его поверхности, интенсивность которого связана с обычной (термодинамической) температурой известным законом Стефана−Больцмана. Поскольку эту интенсивность можно измерить с помощью установленной на борту ИСЗ аппаратуры, то, следовательно, таким образом можно определить и температуру океана. Основными приборами, спроектированными для исследования Мирового океана в тепловом инфракрасном диапазоне, являются сканирующие радиометры, с помощью которых получают информацию о температуре поверхности океана в удобном и наглядном виде.

По принципу действия сканирующие радиометры инфракрасного диапазона аналогичны обычным сканирующим приборам видимого диапазона, описанным ранее, и в последнее время их зачастую конструктивно объединяют в один прибор. Принятые на Земле сигналы спутниковых инфракрасных радиометров преобразуют в специальных устройствах в интенсивность источников света, с помощью которых на обычной черно-белой фотопленке регистрируется температура океана. Таким образом, космическая радиометрическая информация данного диапазона по внешнему виду соответствует обычной черно-белой космической фотографии, и на ней различными оттенками серого тона выделены участки Мирового океана, имеющие различную температуру поверхности (пример подобных изображений показан на последней странице обложки).

Подобный метод представления данных термического зондирования позволяет быстро строить карты температуры поверхности Мирового океана с дискретностью по температуре порядке 1 − 3 К. Для получения более детальных данных информация, поступающая с радиометров, может быть обработана на ЭВМ и представлена в любом удобном для дальнейшего использования виде.

Основными проблемами, возникающими при обработке радиометрической информации, являются проблемы устранения атмосферных помех и проблемы приведения информации к виду, удобному и привычному для океанологов. Дело в том, что океанологи за температуру поверхностного слоя океана принимают термодинамическую температуру воды, измеренную с помощью ртутного или другого контактного термометра на вполне определенной глубине (0,5 м). А радиометры инфракрасного диапазона измеряют радиационную температуру тонкой излучающей поверхностной пленки (скинслоя, или пограничного слоя, или холодной пленки), толщина которой не превышает нескольких десятков микрометров. Но, как показали точные измерения, в тонком, толщиной всего несколько сантиметров, пограничном слое океана имеется всегда положительный или отрицательный перепад температур, достигающий, в зависимости от различных гидрометеоусловий, величины 2 − 3 К (рис. 6).

Таким образом, даже в идеальном случае, т. е. при отсутствии атмосферных помех, всегда наблюдается разница между показаниями обычного термометра, опущенного на глубину 0,5 м, и показаниями радиометра, измеряющего температуру поверхностной пленки толщиной несколько микрометров. Кроме того, при интерпретации данных дистанционного зондирования необходимо учитывать, что спутниковые измерения соответствуют интегральному потоку с некоторой площади, а традиционные измерения с помощью контактного термометра проводятся в одной точке, и это также может быть источником рассогласования в показаниях приборов.

Часто эту естественную разницу температур принимают за ошибку метода и говорят о низкой точности космической инфракрасной радиометрии, что совершенно неверно. Космические радиометры позволяют измерять радиационную температуру подстилающей поверхности с точностью до 0,1 К, и именно такая величина должна рассматриваться в качестве меры точности для космических инфракрасных методов измерения температуры океана. Влияние атмосферы и облачности при этом можно учитывать с помощью калибровки данных по измерениям на тестовых участках, а также применяя специальные методы обработки результатов дистанционного зондирования.

Рис. 6. Изменения температуры воды в поверхностном слое океана при различных условиях

Одним из таких методов является метод гистограмм, впервые использовавшийся при обработке данных радиометров высокого разрешения, установленных на борту ИСЗ серии «Нимбус». В этом методе вся информация радиометров инфракрасного диапазона разбивается на небольшие массивы, соответствующие областям Мирового океана размером 2,5 × 2,5° по широте и долготе. Далее в пределах каждого массива данных строится гистограмма распределения интенсивности сигналов радиометра от каждого элемента изображения. Если при этом в какой-то момент времени в поле зрения радиометра попадает облачность, то последнее приводит к снижению интенсивности выходного сигнала радиометра, поскольку температура облаков значительно ниже температуры океана. Образцы полученных таким образом гистограмм и приведены на рис. 7.

«Холодные» фронты этих гистограмм сильно растянуты и не годятся для определения температуры океана. Для решения этой задачи лучше всего подходят «теплые» участки гистограмм. Предварительный анализ ошибок измерений показал, что формы этих участков определяются только аппаратурными шумами радиометров, которые можно определить при наземных испытаниях прибора (до запуска на орбиту). Среднеквадратичная величина шума радиометра ИСЗ «Нимбус» была известна и составляла 1,5 К.

С учетом этих данных температура поверхности Океана может быть определена как температура точки максимального наклона кривой на «теплом» участке гистограммы минус среднеквадратичная величина шума радиометра. Таким образом, для обеих гистограмм измеренная радиометром температура поверхности океана составляет 301 К. В настоящее время этот метод широко используется для построения карт температуры поверхности Мирового океана, определенных по спутниковым данным.

Рис. 7. Гистограммы распределения температуры поверхности двух районов океана по данным ИК аппаратуры ИСЗ «Нимбус-3»

Советскими учеными предложены некоторые другие методы обработки данных спутниковых инфракрасных измерений, в частности, метод оптимальной интерполяции, учитывающий статистические свойства поля температуры поверхности Мирового океана. Этот метод позволяет исключить как влияние шумов аппаратуры, так и влияние облачности, но, кроме того, в отличие от метода гистограмм, не приводит к ухудшению пространственного разрешения обрабатываемой информации.

В последние годы проведен ряд теоретических и экспериментальных работ по повышению точности перехода от радиационной к термодинамической температуре океанской поверхности. В частности, ведутся работы по созданию модели поведения поверхностного слоя океана при различных гидрометеоусловиях. Большие перспективы связываются также с разработкой многозональных методов инфракрасных измерений, позволяющих экспериментальным путем определять параметры холодной пленки.

Теоретической основой для разработки многозональных методов является то, что эффективная толщина излучающей пленки для каждой длины волны различна. Поэтому, используя одновременные измерения интенсивности радиации океанской поверхности в нескольких узких интервалах, можно оценить величину перепада температур в поверхностном слое океана и учесть ее при обработке данных дистанционных измерений.

Так, совместная обработка двухканальных измерений температуры Мирового океана, проведенных с помощью ИСЗ «НОАА-6», позволила намного повысить точность определения термодинамической температуры океана. Например, сравнение спутниковых данных с результатами синхронных контактных измерений температуры поверхностного слоя океана, выполненных на одном из подспутниковых полигонов (исследуемой области) в Атлантическом океане, показало, что среднеквадратичное отклонение между контактными и спутниковыми измерениями составило 0,56 К при изменениях температуры поверхностного слоя от 1 до 27 °C. Такие точности дистанционного измерения температуры океанской поверхности с помощью радиометров инфракрасного диапазона являются уже вполне удовлетворительными и позволяют решать многие практические задачи.

Использование инфракрасной аппаратуры, установленной на различных ИСЗ, способствовало получению ряда важных для океанологии результатов. В 1971 − 1973 гг. американскими специалистами была исследована динамика течения Гольфстрим на основании данных радиометров ИСЗ «НОАА». На многих полученных за это время инфракрасных изображениях Атлантического океана хорошо видны границы этого течения, изгибы его оси (меандры), вихри и другие характерные образования. Результаты наблюдений за западной частью Саргассова моря показали, что вихри в этом районе образуются у мыса Гаттерас и перемещаются в юго-западном направлении со средней скоростью около 1,5 км в сутки. Выяснилось, что вихри поглощаются Гольфстримом в районе полуострова Флорида, а среднее время жизни вихрей − около двух лет.

На борту геостационарного метеорологического ИСЗ «СМС-1» была установлена сканирующая аппаратура, с помощью которой каждые 30 мин на Землю передавалось изображение Центральной Атлантики в видимом и тепловом инфракрасном диапазонах спектра. Ряд последовательных изображений океана в инфракрасном диапазоне был смонтирован в виде кадров обычного кинофильма, что позволило наглядно наблюдать зарождение и перемещение вихрей вдоль западной границы Гольфстрима у полуострова Флорида.

По данным инфракрасных радиометров ИСЗ серии «НОАА», в Центральной Атлантике и других районах Мирового океана обнаружился ряд неизвестных ранее зон апвеллинга, т. е. зон подъема глубинных вод, богатых питательными веществами.

Особенно успешно данные спутниковых радиометров инфракрасного диапазона используются при проведении океанографических экспериментов в так называемом квазиреальном времени. В этих экспериментах данные съемки поверхности Мирового океана с помощью инфракрасных радиометров передаются непосредственно на НИС, где обрабатываются и используются для наведения НИС в заданный район, например, в центр океанического вихря.

Начиная с 1973 г. осуществляется полностью автоматизированная обработка данных, поступающих с радиометров ИСЗ серии «НОАА». Спутниковые данные передаются на две наземные приемные станции, а далее информация через обычные каналы связи транслируется в центр ее обработки, где поступает на ЭВМ. Конечным продуктом обработки являются ежесуточные карты температуры поверхности Мирового океана в глобальном масштабе. Точность определения температуры в этой системе составляет около 1,5 К.

По оценкам многих специалистов, в ближайшем будущем реально ожидать повышения точности в определении температуры океанской поверхности с помощью установленных на ИСЗ радиометров до величин 0,2 − 0,5 К. Пространственное разрешение получаемой при этом информации будет порядка нескольких сот метров, а периодичность ее получения − до нескольких раз в сутки. С учетом таких перспектив радиометры инфракрасного диапазона планируется устанавливать на всех разрабатываемых океанологических ИСЗ.

В настоящее время успешно идут эксперименты по созданию инфракрасных лазеров (например, газовых лазеров, работающих на углекислом газе и имеющих излучение с длиной волны 10,6 мкм). С помощью этих приборов, установленных на самолетах, хорошо определяется загрязнение океана нефтепродуктами и решаются некоторые другие задачи, интересующие океанологов. Эти эксперименты показывают, что приборы подобного класса подходят для дистанционных исследований Мирового океана и в принципе возможна их установка на борту ИСЗ. Тогда и в инфракрасном диапазоне можно будет проводить активное зондирование океана.

В заключение этого раздела отметим, что информация инфракрасного, как и видимого, диапазона, получаемая даже в глобальном масштабе, имеет фрагментарный характер из-за покрытия многих районов Мирового океана плотной облачностью и туманом. Глобальное изучение океана без пропусков возможно только при использовании волн радиодиапазона.

РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОКЕАНА ИЗ КОСМОСА

Радиофизические методы исследования Мирового океана из космоса, включая и исследования атмосферы над океаном, проводятся в микроволновом или, иначе говоря, в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне спектра на радиоволнах с длиной от нескольких миллиметров до нескольких дециметров. Формирование собственного теплового излучения океана или отраженного его поверхностью определяется в радиодиапазоне обширным комплексом гидрофизических параметров, что позволяет в ряде случаев получать информацию, которую трудно или просто невозможно добыть при зондировании океана в оптическом диапазоне спектра.

Прозрачность земной атмосферы в радиодиапазоне велика, причем относительно прозрачна даже облачная атмосфера. Это позволяет с помощью радиометодов проводить исследования там, где трудно или просто невозможно использовать оптические методы. Конечно, в той или иной мере атмосфера Земли и в этом диапазоне влияет на излучение поверхности океана, регистрируемое на борту КА, однако в ряде случаев это влияние невелико и его можно учесть. По сравнению с видимым и инфракрасным диапазонами спектра, влияние атмосферы в радиодиапазоне значительно меньше, и передаточная функция атмосферы значительно ближе к единице.

Так, по данным одной из экспериментальных работ, выполненных советскими учеными, в области длин волн около 0,8 см совершенно непрозрачный для волн оптического диапазона плотный слой кучевых облаков толщиной около 1,5 км над акваторией Азовского моря приводил к изменению так называемой радиояркостной температуры морской поверхности на 20 − 25 К. При переходе же к волнам с длиной волны 3,2 см вклад атмосферы еще более уменьшался, и ошибка измерения радиояркостной температуры моря, определяемая атмосферой, уменьшалась до 3 К, т. е. не превышала 1 − 2 %.

Общая тенденция здесь такова: более длинноволновое излучение океана свободнее проходит сквозь атмосферу, не ослабевая, и его целесообразней использовать при изучении Мирового океана из космоса. В то же время исследования в коротковолновой миллиметровой области спектра позволяют судить о водности облаков в приводном слое атмосферы, определять количество водяного пара, выделять районы осадков и решать другие задачи, связанные с комплексным исследованием процессов, протекающих в системе океан − атмосфера.

Кроме того, при выборе рабочего диапазона частот необходимо учитывать, что при использовании на борту ИСЗ одних и тех же приемных антенн для волн различной длины (а это часто обусловлено конструкцией ИСЗ) пространственное разрешение получаемой информации не будет постоянным. При работе на более коротких волнах можно получить информацию с повышенным пространственным разрешением, а при работе на более длинных волнах информация по своему разрешению будет хуже.

В космической океанологии при использовании волн радиодиапазона нашли широкое применение оба метода дистанционного зондирования − активный и пассивный. Активный метод исследования Мирового океана из космоса основан на использовании известных принципов и методов радиолокации, а пассивный − на регистрации собственного теплового радиоизлучения океанских вод с помощью чувствительных СВЧ-радиометров.

Современные спутниковые СВЧ-радиометры позволяют с высокой точностью определять излучение океана одновременно на нескольких длинах волн и на двух видах линейной поляризации: горизонтальной и вертикальной. Строго говоря, принимаемый этими устройствами поток радиоизлучения Земли состоит из следующих основных слагаемых: потока излучения слоя атмосферы, расположенного между поверхностью и КА; потока излучения атмосферы, отраженного земной поверхностью, и потока излучения подстилающей поверхности, ослабленного поглощением в атмосфере. Для нужд космической океанологии интерес представляет, естественно, только третье слагаемое, а первые два являются помехами.

Еще первые, проведенные с использованием самолетов-лабораторий, эксперименты показали, что степень влияния различных океанологических параметров на интенсивность излучения (или, что то же самое, на радиояркостную температуру) океанской поверхности сильно зависит от длины волн. Кроме того, излучение океанской поверхности зависит и от угла, под которым ведется наблюдение. Результирующая информация, как правило, зависит одновременно от многих океанологических параметров, и поэтому чтобы точно и эффективно решать задачи космической океанологии, необходимо использовать многочастотные и поляризационные измерения, позволяющие разделять различные составляющие и определять все интересующие океанологические параметры.

Например, при исследовании нефтяного загрязнения Мирового океана используется то, что радиояркостная температура поверхности океана, покрытой нефтяной пленкой, выше яркостной температуры чистой воды. На волнах с длиной волны 10 см увеличение яркостной температуры примерно пропорционально толщине пленки и равно 1 К на 1 мм толщины пленки, что близко к величине чувствительности современных радиометров. Следовательно, такие пленки с помощью радиометодов могут быть надежно идентифицированы. При переходе в коротковолновую область, в область длин волн несколько миллиметров, возрастание радиояркостной температуры загрязненной поверхности достигает уже нескольких десятков градусов, т. е. еще более заметно.

Основой дистанционных измерений термодинамической температуры поверхностного слоя океана в СВЧ-диапазоне является то, что радиояркостная температура пропорциональна термодинамической. В диапазоне длин волн 8 − 10 см влияние атмосферы и других помех минимально, и поэтому этот диапазон волн наилучшим образом подходит для температурных измерений.

Используемая в радиометрии радиояркостная температура связана с обычной термодинамической температурой через коэффициент радиоизлучения морской воды. Величина этого коэффициента очень сильно изменяется в зависимости от условий наблюдения и от многих гидрометеорологических параметров. Излучательная способность воды для многих углов наблюдений значительно меньше единицы и сильно зависит от степени поляризации используемых радиоволн.

Поскольку космические исследования с помощью сканирующей аппаратуры ведутся в широком диапазоне углов наблюдений, то эту зависимость необходимо учитывать при обработке данных радиометров. На коэффициент излучения океанской поверхности сильно влияет и коэффициент ее шероховатости, т. е. величина волнения океана. А поскольку величина волнения тесно связана со скоростью ветра в приводном слое, то, таким образом, можно исследовать и этот параметр.

Особенно резкое возрастание излучательной способности океанской воды происходит при появлении на ее поверхности пены, образующейся при сильном ветре. Излучательная способность такой пены в радиодиапазоне близка к единице, поэтому в излучении океанской поверхности при появлении пены наблюдается резкий скачок, хорошо заметный на всех длинах волн. А поскольку, как хорошо известно океанологам, пена на поверхности океана возникает при ветре более четырех баллов, в штормовых условиях, то это обстоятельство позволяет уверенно дистанционно определять границы штормовых районов, т. е. районы, опасные для мореплавания.

Аналогичным образом можно определить из космоса границы ледяных полей, толщину плавающих льдов, их сплоченность, возраст и направление дрейфа. Радиоизлучение ледяных покровов океана имеет свои отличительные характеристики, это и позволяет решать перечисленные задачи.

Дистанционные измерения в СВЧ-диапазоне из космоса могут быть использованы и для определения вариаций солености воды в Мировом океане. Для решения этой задачи наиболее подходит длинноволновый диапазон с длинами волн 20 − 30 см. На более коротких длинах волн эффект солености, т. е. соответствующее изменение радиояркостной температуры поверхности, пренебрежимо мал, а на более длинных волнах сказывается влияние шумов от поглощения радиоизлучения океана в ионосфере и помех от активных радиолокаторов.

Численные оценки показывают, что для длины волны 20 см и температуры океана 15 °C изменение солености на 1‰ (а средняя соленость воды в Мировом океане около 35‰ и она изменяется при переходе от экватора к высоким широтам всего на 3 − 4‰) вызывает изменение радиояркостной температуры всего на 0,3 К. При существующей точности спутниковых радиометров (0,5 − 0,8 К) можно, следовательно, определять границы раздела пресных и соленых вод в районах впадения в Мировой океан крупных рек и другие подобные большие перепады солености.

Первые измерения собственного теплового радиоизлучения Земли из космоса были выполнены в 1968 г. с помощью советского ИСЗ «Космос-243» и продолжены затем в 1970 г. с использованием ИСЗ «Космос-384». В дальнейшем в СССР СВЧ-радиометрические исследования Земли выполнялись с помощью ИСЗ серии «Метеор», а также ИСЗ «Космос-669», «Космос-1076», «Космос-1151», ИСЗ серии «Интеркосмос», с борта ОКС «Салют». Аналогичные исследования в США начались в 1972 г., когда был выведен на орбиту ИСЗ «Нимбус-5». Продолжены они были затем на борту ОКС «Скайлэб» и с помощью ИСЗ «Нимбус-6», «Сисат» и др.

В перечисленных космических экспериментах были отработаны основные принципы использования дистанционных СВЧ-методов для исследования Земли из космоса, в частности, была показана перспективность применения космических пассивных радиометодов для изучения следующих характеристик Мирового океана и атмосферы Земли:

содержания водяного пара в атмосфере и его распределения над океаном;

влагосодержания облаков и оценки интенсивности осадков;

исследования температуры поверхности океана;

определения границ штормовых районов;

определения границ и состояния плавающего льда;

обнаружения нефтяных загрязнений океана.

СВЧ-радиометрическая аппаратура, установленная на ИСЗ «Космос-243» и «Космос-384», позволила принимать излучение океанской поверхности на волнах длиной 0,8; 1,35; 3,4 и 8,5 см. Флуктуационная чувствительность у этих первых радиометров составляла 1 К при постоянной времени 1 с. Антенны всех радиометров были направлены вертикально вниз и просматривали полосу вдоль трассы полета ИСЗ. Линейный размер участка поверхности Земли, который попадал в поле зрения антенны (пространственное разрешение получаемой информации), на волне 8,5 см составлял около 50 км, а на коротких волнах доходил до 20 км.

Калибровка температурных шкал радиометров осуществлялась с помощью специального генератора шума, периодически подключаемого к входному тракту радиометра вместо приемной антенны. В качестве опорного сигнала радиометров использовалось излучение космического фона, принимаемое небольшими рупорными антеннами.

Совместная обработка данных, получаемых со всех четырех радиометров, позволила определить распределение ряда океанологических параметров вдоль трассы полета ИСЗ. Точность определения одного из основных среди них − температуры морской поверхности океана − в этом первом эксперименте составляла 1 − 3 К.

На борту американских ИСЗ «Нимбус-5» и «Нимбус-6», помимо штатной метеорологической аппаратуры оптического диапазона, было установлено по два прибора пассивного зондирования в СВЧ-диапазоне. Одним из них был 5-канальный радиоспектрометр, измерявший интенсивность излучения подстилающей поверхности на частотах 22,23; 31,65; 52,86; 53,84 и 55,44 ГГц. Другим был одноканальный сканирующий радиометр, работавший на длинах волн 1,55 см («Нимбус-5») и 0,8 см («Нимбус-6»). С помощью этих последних приборов впервые были получены радиоизображения Земли из космоса.

Чувствительность радиометров ИСЗ «Нимбус» составляла 0,5 − 0,8 К. Точность определения температуры поверхности океана по данным этих экспериментов оказалась примерно такой же, как и в экспериментах, проводимых с помощью ИСЗ серии «Космос», а пространственное разрешение − примерно на порядок хуже (из-за большей высоты орбиты).

В последние годы наряду с пассивными развиваются и активные методы исследования Мирового океана из космоса в радиодиапазоне. При активных методах на борту КА устанавливается мощный источник радиоизлучения, энергия которого направляется вниз, на океан. Отраженные поверхностью океана и рассеянные его водной толщей радиоволны возвращаются назад, где регистрируются специальными приемниками, и анализ принятых сигналов позволяет судить об интересующих океанологических параметрах.

Эти простые идеи исследований океана из космоса оказались чрезвычайно плодотворными, и к настоящему времени уже накоплен достаточно большой опыт применения активных радиометодов в космической океанологии. В последние несколько лет в космосе прошли испытания три типа приборов для активных исследований океана в радиодиапазоне: скаттерометры (или измерители коэффициента обратного рассеяния), высотомеры (или альтиметры) и радиолокаторы бокового обзора.

Использование радиолокационных скаттерометров в космической океанологии основано на том, что статистические свойства отраженного радиосигнала, зависят от статистических свойств отражающей поверхности. Используя это явление, можно изучать дистанционными методами характеристики ветрового волнения на поверхности океана, поскольку именно волнение определяет степень неровности и шероховатости морской поверхности.

При облучении поверхности океана радиоволнами особенно интенсивно отражаются волны, для которых выполняется так называемое условие резонансного рассеяния. При наклонном облучении океана резонансное рассеяние наблюдается на морских волнах, длина которых примерно равна половине длины волны зондирующего радиоимпульса.

Мерой интенсивности рассеяния падающего излучения исследуемой поверхностью является так называемое поперечное сечение обратного рассеяния. Данная величина пропорциональна частоте падающего радиоизлучения и средней частоте волн на взволнованной поверхности океана. С учетом этого открывается принципиальная возможность изучения формы спектра рассеивающих элементов волнения океана по измеренной на борту КА величине сечения обратного рассеяния зондирующего радиосигнала. При этом также можно определить и среднюю высоту морских волн, так как амплитуда принятого скаттерометром обратного сигнала пропорциональна среднеквадратичной высоте волн.

Не менее важным является также и то, что характеристики ветрового волнения тесно связаны с силой ветра в приводном слое атмосферы и, следовательно, возможность дистанционного определения этого параметра из космоса делает измерения с помощью бортового скаттерометра КА особенно ценным. Вследствие быстрого перемещения КА по орбите принимаемый скаттерометром рассеянный сигнал будет иметь определенное доплеровское смещение, зависящее от угла излучения радиоволн по отношению к направлению полета. Это необходимо учитывать при использовании приемопередающих антенн с широкой диаграммой направленности.

Для лучшего выявления статистических свойств отражающих поверхностей в космической скаттерометрии применяется облучение поверхностей наклонными пучками. Как показали первые эксперименты, для исследования Мирового океана можно использовать зондирующие радиоимпульсы с углами падения в диапазоне 30 − 60°. Это обстоятельство позволяет с помощью аппаратуры просматривать при полете КА довольно широкую полосу на поверхности Мирового океана, равную высоте орбиты ИСЗ или даже больше.

Большие возможности исследования океана из космоса открыло использование для этих целей радиовысотомеров, или радиоальтиметров. Идея радиоальтиметрии так же проста, как и идеи других дистанционных методов. Если точно измерить время прохождения зондирующего радиоимпульса от КА до поверхности океана и обратно, то затем можно легко вычислить и расстояние от КА до поверхности океана. Применение этого метода долгое время ограничивалось недостаточной точностью измерений, но в настоящее время прогресс в области радиолокации позволяет определять расстояния с точностью до нескольких десятков или даже единиц сантиметров, а, с другой стороны, точность определения траекторных параметров с использованием специальных лазерных измерительных комплексов возросла также до указанных величин.

Таким образом, в радиоальтиметрии можно использовать орбиту КА в качестве опорной линии и относительно нее с помощью высотомера измерять профиль океанской поверхности. При этом можно обнаружить крупномасштабные неровности рельефа поверхности, вызываемые аномалиями гравитационного поля Земли, океанскими течениями, волнами цунами, штормовыми нагонами и другими явлениями. Помимо решения этих задач, с помощью космических альтиметров, как выяснилось, можно успешно решать задачи исследования распределения волнения океана вдоль траектории полета ИСЗ.

Действительно, если космический альтиметр излучает короткий радиоимпульс прямоугольной формы, то возвратившийся импульс, отраженный от океанской поверхности, будет значительно трансформирован. В первую очередь у отраженного импульса будут сильно размыты его фронты, причем размытие переднего фронта (наклон его передней кромки) определяется в основном величиной волнения океана в подспутниковой точке. Приход сигналов, отраженных от различных по высоте элементов взволнованной поверхности, происходит не одновременно. Чем сильнее волнение океана в подспутниковой точке, чем больше там высота волн, тем сильнее расширяется зондирующий радиоимпульс. Такую зависимость можно использовать для измерения высоты волн, и это второе, не менее важное применение космических альтиметров.

Для повышения точности измерений океанологических параметров с помощью космических альтиметров осуществляется посылка зондирующих импульсов короткими сериями с последующей статистической обработкой отраженных радиосигналов. Для измерения волнения океана с помощью альтиметров с приемлемой точностью (до 0,5 м) необходимо использовать радиоимпульсы продолжительностью не более 3 не. Поскольку облученное пятно на поверхности океана имеет диаметр порядка нескольких километров, приходится при расчетах допускать, что поле волнения внутри него однородно.

Наклон задней стороны зондирующего импульса, как показали данные экспериментов, определяется в основном ошибками ориентации КА относительно местной вертикали, и эти данные можно использовать для управления угловым положением КА.

Одним из наиболее перспективных приборов для космических исследований Мирового океана является, по оценкам многих экспертов, радиолокатор бокового обзора (РЛБО). Подобные приборы позволяют получать «радиоизображения» поверхности океана, на которых можно непосредственно видеть некоторые океанологические явления, например крупные волны. С помощью РЛБО можно определять границы ледяных полей, исследовать статистические характеристики волнения, определять загрязнения Мирового океана нефтепродуктами и решать ряд других океанологических задач. Все явления, которые приводят к трансформации поверхностного волнения в океане, могут быть исследованы с помощью этих приборов.

Поперечная развертка изображения океанской поверхности, формируемого с помощью космического РЛБО, осуществляется путем временной селекции и обработки отраженных радиоимпульсов, а продольная − за счет орбитального движения ИСЗ. С помощью РЛБО можно получать картину волнения океана сравнительно быстро и на больших площадях. Для того чтобы информация имела высокое пространственное разрешение (до 50 м), в РЛБО необходимо использовать короткие зондирующие импульсы и узкую диаграмму направленности излучающей антенны в горизонтальной плоскости. При реальных ограничениях на размеры антенн КА последнего можно достичь лишь с помощью РЛБО с синтезированной апертурой.

По внешнему виду радиоизображения поверхности океана, полученные с помощью РЛБО, несколько напоминают космические фотографии, полученные с помощью обычной фотоаппаратуры. Участки взволнованной океанской поверхности на таких радиоизображениях выделяются более светлым тоном, так как лучше рассеивают падающее радиоизлучение. А пятна нефтепродуктов на радиоизображениях, наоборот, выглядят более темными, поскольку в них происходит «выглаживание» поверхностного волнения и уменьшается доля энергии излучения РЛБО, рассеянная в обратном направлении. Особенно эффективна обработка информации РЛБО на ЭВМ. В этом случае могут быть выявлены явления, которые не видны на «необработанных» радиоизображениях океана.

Активные радиофизические методы исследования Мирового океана впервые были испытаны в 1973 г. при полете ОКС «Скайлэб». Станция была выведена на круговую орбиту высотой 440 км с углом наклонения к плоскости экватора 50°. На борту ОКС «Скайлэб» было установлено два радиолокационных прибора: скаттерометр и высокоточный радиовысотомер. Объединенное для двух приборов антенное устройство позволяло осуществлять механическое сканирование луча по двум ортогональным направлениям в диапазоне ±50°. Ширина, диаграммы направленности главного лепестка антенны составляла 1,5° при рабочей частоте альтиметра 13,9 ГГц.

Относительная точность измерений профиля поверхности океана с помощью этого высотомера была около 1 м. Длительность импульсов космического радиовысотомера могла изменяться в диапазоне от 10 до 130 нс. Частота повторения импульсов в режиме измерения высоты доходила до 250 импульсов в секунду, что позволяло после статистической обработки отраженных сигналов получать до 8 замеров высоты в 1 с, т. е. пространственное разрешение данных радиовысотомера ОКС «Скайлэб» вдоль трассы полета было около 1 км. Мощность излучения энергии в импульсе радиовысотомера доходила до 2 кВт.

В ходе полета ОКС «Скайлэб» тремя сменами экипажей было проведено более 150 серий радиофизических экспериментов. Уже в этих первых испытаниях космических активных радиометодов был получен ряд важных результатов. Так, обработка данных скаттерометра показала, что с помощью этого прибора можно измерять волнение на поверхности океана с волнами высотой более 1 м, а также определять силу и направление ветра в приводном слое воздуха. Точность определения силы ветра с помощью этого прибора составила около 10 % при изменениях ветра в диапазоне от 0 до 20 м/с. Особо важно отметить, что с помощью скаттерометра ОКС «Скайлэб» несколько раз исследовалось распределение ветра и волнения в зонах тропических циклонов (ураганов), а это для океанологов и мореплавателей представляет особое значение.

Эксперименты с космическим радиовысотомером также оказались весьма успешными. Впервые в этих экспериментах была наглядно продемонстрирована принципиальная возможность спутниковой альтиметрии для решения океанологических задач. Так, по данным альтиметра «Скайлэба», была уточнена форма поверхности геоида в районах некоторых гравитационных аномалий и выяснились многие интересные данные, ранее неизвестные науке. Например, наглядно было продемонстрировано, что над районами глубоководных впадин и желобов поверхность Мирового океана слегка прогибается, как бы повторяя форму океанского ложа. Над подводными возвышенностями и подводными горами, поднимающимися над дном океана на несколько километров («гайотами»), наблюдается обратная картина − над поверхностью океана в этом случае как бы вырастает своеобразный купол.

В частности, по этим данным уточнена форма поверхности океана в районе известного Бермудского треугольника. В этом районе находится так называемая Пуэрториканская впадина, и, как показали измерения, проводившиеся с борта ОКС «Скайлэб», связанная с ней гравитационная аномалия проявляется в понижении среднего уровня океана над впадиной. На рис. 8 в верхней части показана трасса полета ОКС «Скайлэб» от берегов Южной Каролины в США до острова Пуэрто-Рико в Центральной Атлантике. В нижней части рисунка представлены результаты измерений профиля океанской поверхности с помощью альтиметра и данные обычных промеров глубин.

Верхняя кривая представляет собой разность между уровнем земного эллипсоида и высотой, измеренной с помощью альтиметра. На этой кривой хорошо заметна. понижение профиля поверхности океана над так называемым обрывом Блейка, небольшой подъем над районом подводной равнины и 15-метровая депрессия (впадина) на поверхности океана с поперечником около 100 км над Пуэрториканской впадиной. Интересно, что по данным альтиметра хорошо видна разница уклонов у северной и южной сторон впадины.

Рис. 8. Трасса полета ОКС «Скайлэб» на одном из витков (а); топография поверхности океана по данным альтиметра (верхняя кривая) и данные гидрографических промеров глубины в этом районе океана (нижняя кривая). По вертикали (б) − отклонение поверхности океана в метрах и глубина океана в километрах, по горизонтали − полетное время

Естественно, все эти впадины и купола на океанской поверхности по своей величине сравнительно малы и не превышают 10 − 20 м. А поскольку горизонтальные размеры этих «неровностей» океанской поверхности составляют десятки и сотни километров, то они совершенно незаметны при измерениях с борта НИС и не могут быть выявлены никакими традиционными методами.

Второй эксперимент по космической альтиметрии был осуществлен в 1975 г. после вывода на орбиту ИСЗ «ГЕОС-3». Этот ИСЗ был выведен на круговую орбиту высотой 840 км и на его борту был установлен альтиметр, имевший в основном те же характеристики, что и альтиметр ОКС «Скайлэб». В результате были исследованы обширные районы Мирового океана и получены новые данные о форме его поверхности. С использованием альтиметрии было обнаружено, например, изменение уровня поверхности Мирового океана в районах крупных океанских течений, таких, как Гольфстрим или Куросио.

Результаты экспериментов, выполненных на борту ОКС «Скайлэб» и с помощью ИСЗ «ГЕОС-3», показали, что активные радиометоды могут быть эффективным всепогодным средством исследования Мирового океана из космоса. По многим оценкам, применяемые для этих целей приборы будут основным рабочим инструментом разрабатываемых океанологических ИСЗ, предназначенных для слежения за состоянием Мирового океана при любых метеоусловиях − днем и ночью.

ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИЕ ИСЗ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Как уже отмечалось, первые специализированные чисто океанологические. ИСЗ были выведены на орбиты в СССР и США в конце 70-х − начале 80-х годов. Эти ИСЗ были снабжены различными приборами дистанционного зондирования, рассмотренными в предыдущих разделах, но их комплексирование, выбор рабочих характеристик, распределение по степени приоритета и важности решаемых задач определялись в соответствии с конкретными программами полетов каждого отдельного ИСЗ и задачами экспериментов в целом.

В качестве типичного примера технического оснащения океанологического ИСЗ первого поколения рассмотрим американский ИСЗ «Сисат», название которого является аббревиатурой английских слов «морской спутник». Разработка проекта ИСЗ началась в 1974 г. под эгидой Управления прикладных программ НАСА. К моменту запуска ИСЗ стоимость его разработки достигла 95 млн. долл., что намного больше стоимости разработки многих других экспериментальных ИСЗ. Объясняется это уникальностью установленной на борту ИСЗ исследовательской аппаратуры, что хорошо характеризует сложность стоявших перед конструкторами проблем.

В разработке проекта ИСЗ «Сисат» и программы его полета приняло участие более 25 крупных правительственных организаций и частных фирм, тесно связанных с программами исследования Мирового океана. ИСЗ разработан на конструктивной базе последней ступени ракеты-носителя «Аджена» с использованием ее энергосистемы, системы управления и телеметрии. Масса ИСЗ после его выведения на орбиту составила около 2300 кг, а размах панелей солнечных батарей и антенн достигал 13 м. Ориентация и стабилизация ИСЗ в орбитальной системе координат осуществлялись с точностью до 0,5°. Мощность системы энергопитания научной аппаратуры около 2 кВт.

Общий вид ИСЗ «Сисат» с развернутыми антеннами и панелями солнечных батарей приведен на рис. 9.

На борту ИСЗ «Сисат» был установлен комплект из пяти научных приборов, которые по важности решаемых задач были распределены следующим образом:

1) радиовысотомер,

2) скаттерометр,

3) радиолокатор бокового обзора с синтезированной апертурой,

4) сканирующий радиометр видимого и теплового инфракрасного диапазонов,

5) многоканальный сканирующий микроволновый радиометр.

В дополнение к этому научному оборудованию на борту ИСЗ было установлено три различных системы для точных траекторных измерений параметров орбиты.

Направленный вертикально вниз (в надир), высотомер обладал полем зрения 1,6°, что соответствовало (в зависимости от силы волнения моря в подспутниковой точке) исследуемому пятну на поверхности Мирового океана диаметром от 1,5 до 12 км. Прибор работал на частоте 13,5 ГГц и излучал зондирующие импульсы шириной 3 нс, что позволяло измерять высоту ИСЗ над поверхностью Мирового океана со среднеквадратичной ошибкой 10 см при волнах на поверхности океана высотой не более 20 м. С помощью этого прибора можно было также определять высоту волн в подспутниковой точке с точностью до 0,5 м (в диапазоне от 0 до 20 м).

Рис 9. Общий вид океанологического ИСЗ «Сисат»: 1 − панели солнечных батарей, 2 − антенны скаттерометра, 3 − антенна РЛБО, 4 − многоканальный СВЧ-радиометр, 5 − лазерный рефлектор, 6 − альтиметр, 7 − телеметрическая антенна РЛБО, 8 − радиометр инфракрасного и видимого диапазонов, 9 − антенна телеметрической и командной радиолиний, 10 − антенна системы определения параметров орбиты, 11 − дублирующая антенна телеметрической системы

Скаттерометр ИСЗ «Сисат» работал на частоте 14,6 ГГц. Диаграмма направленности каждой из четырех антенн была «ножевой», т. е. узкой в горизонтальной плоскости и широкой в вертикальной плоскости, что позволяло с помощью этого прибора облучать две полосы на поверхности Мирового океана шириной по 500 − 700 км на расстоянии 200 км от трассы полета ИСЗ. Пространственное разрешение информации скаттерометра «Сисата» составляло около 50 км. Регистрация и обработка доплеровского смещения отраженного сигнала давала возможность определять скорость ветра у поверхности океана с точностью до 2 м/с (в диапазоне от 4 до 26 м/с). Оценка направления скорости ветра была возможна с точностью до 20°.

Предназначенный для получения радиоизображений поверхности океана РЛБО с синтезированной апертурой работал на частоте 1,275 ГГц. С его помощью просматривалась полоса шириной 100 км под углом 20° относительно вертикали.

Высокое пространственное разрешение информации, получаемой с помощью этого прибора (до 25 м), определило высокую скорость поступления информации и ее большие объемы. После предварительных проработок различных схем регистрации и передачи данных было принято решение о работе этого радиолокатора только в режиме непосредственной передачи − информации, т. е. без промежуточной записи на бортовые магнитофоны. Это, естественно, привело к существенному ограничению районов проведения исследований с помощью РЛБО.

Антенна РЛБО ИСЗ «Сисат» имела коэффициент усиления 34 дБ и формировала веерообразный луч с угловыми размерами 1 × 6°, отклоненный на 20° относительно вертикального направления. При полете ИСЗ этим прибором облучалась полоса на поверхности Мирового океана шириной 100 км, отстоящая от трассы полета на 250 км. Прием излучения, отраженного морской поверхностью, осуществлялся на ту же антенну. После усиления преобразованные сигналы передавались в телеметрическую систему и без задержки транслировались на наземную приемную станцию со скоростью 10 мбит/с. В силу этих обстоятельств максимальная длина полосы непрерывного исследования океана с использованием РЛБО у ИСЗ «Сисат» не могла превышать 4 тыс. км.

Радиометр видимого и инфракрасного диапазонов (два канала с интервалами длин волн 0,45 − 0,94 и 10,5 − 12,5 мкм) являлся обычным сканирующим радиометром, прототипы которых неоднократно устанавливались на метеорологических ИСЗ. С его помощью получалось изображение подстилающей поверхности в видимом и тепловом инфракрасном диапазонах спектра, что позволяло решать задачи распознавания облачности вдоль траектории полета ИСЗ и определять температуру облаков и поверхности Мирового океана.

Разрешающая способность этого прибора составляла 2 км для видимого диапазона и 4 км для инфракрасного. Радиометром просматривалась полоса поверхности Мирового океана шириной 1100 км. По предварительным оценкам, точность определения температуры поверхностного слоя океана с использованием данных инфракрасного канала этого радиометра была выше 1 К.

Многоканальный сканирующий микроволновый радиометр сантиметрового диапазона позволял измерять тепловое излучение системы океан − атмосфера на длинах волн 3,8; 2,8; 1,65; 1,43 и 0,8 см при горизонтальной и вертикальной поляризациях излучения. Аналогичные приборы были установлены в свое время на экспериментальных метеорологических ИСЗ серии «Нимбус», где использовались для определения параметров атмосферы. На ИСЗ «Сисат» в состав этого прибора дополнительно был включен длинноволновый канал (длина волны 3,8 см) для микроволновых измерений температуры поверхности океана.

Пространственное разрешение информации, получаемой с помощью этого прибора, зависело от частоты, на которой велась работа, и изменялось от 100 км (для длинных волн) до 20 км (для самых коротких). Антенна радиометра могла сканировать под углом около 40° в плоскости орбиты и в поперечном направлении, ширина полосы обзора составляла около 600 км. С помощью» этого радиометра определялась температура поверхности океана и величина скорости ветра у его поверхности, а также влагосодержание и содержание водяного пара вдоль трассы полета ИСЗ. Абсолютная погрешность измерений температуры равнялась 2 К, точность определения величины скорости ветра в приводном слое воздуха − 2 м/с (при изменении ветра от слабого до штормового).

ИСЗ «Сисат» был выведен 28 июня 1978 г. на круговую орбиту высотой около 800 км с наклонением 108°. Орбита ИСЗ не была солнечно-синхронной, поскольку по программе полета предусматривалось получение информации о Мировом океане при различных условиях освещения его Солнцем. Суточное смещение трассы полета (18,5 км) выбиралось из условия обеспечения сплошного «покрытия» поверхности Мирового океана радиовысотомером, имеющим сравнительно узкое поле зрения. Повторение условий наблюдения Мирового океана должно было наступать через каждые 152 сут.

Аппаратура ИСЗ, имеющая широкую полосу захвата на поверхности океана (скаттерометр и сканирующие радиометры), обеспечивала обзор 95 % поверхности Мирового океана каждые 36 ч, т. е. была получена довольно высокая периодичность наблюдений и обновления информации. Расчетный срок работы всех служебных систем и научной аппаратуры составлял более 1 года, однако 10 октября 1978 г. вся научная аппаратура ИСЗ вышла из строя в результате короткого замыкания в системе энергопитания.

За 100 сут активной работы ИСЗ «Сисат» совершил 1502 оборота вокруг Земли. За этот период было выполнено две серии комплексных подспутниковых экспериментов в восточной части Атлантического океана и в Аляскинском заливе. Всего ИСЗ совершил около 260 пролетов над районами контрольных подспутниковых исследовательских полигонов. К средствам непосредственных контактных измерений на этих полигонах относились морские буи, НИС «Океанографер», «Квадра» и «Ванкувер». В дополнение к стандартным метеорологическим наблюдениям на всех НИС выполнялась специальная программа измерений характеристик ветра и волнения океана в моменты пролета ИСЗ.

В подспутниковых наблюдениях принимали также участие четыре самолета-лаборатории, которые измеряли вдоль трассы полета ИСЗ скорость ветра на различных высотах, температуру воздуха и поверхности океана, параметры его волнения. При обработке информации с ИСЗ «Сисат» использовались данные наблюдений за Мировым океаном, полученные и на обычных транспортных судах морского флота, а также информация с геостационарных и других ИСЗ.

Учитывая высокую сложность и стоимость аппаратуры ИСЗ «Сисат», выдвигается проект возвращения ИСЗ с орбиты на Землю для ремонта. В настоящее время в США ведутся работы по созданию нового океанологического спутника − ИСЗ «Сисат-2». Этот ИСЗ, (Уснащенный примерно таким же комплексом исследовательской аппаратуры, что и его предшественник, предполагается вывести на орбиту в конце 80-х годов.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСЗ ДЛЯ СВЯЗИ И НАВИГАЦИИ НА МОРЕ

Одним из основных прямых контактных методов получения информации о Мировом океане, особенно при длительных измерениях, с давних пор в океанологии считался метод сбора информации с применением автономных океанологических буев. Для этого с борта НИС в интересующем ученых районе Мирового океана устанавливались на якорях или пускались в свободный дрейф специальные океанологические буи с размещенной на них аппаратурой для непосредственных контактных измерений. Полученная при работе буя информация передавалась на лежащее поблизости в дрейфе НИС или записывалась на автономные буйковые самописцы.

Схема работы с использованием буев довольно проста и эффективна, но имеет некоторые недостатки. Прежде всего при такой организации работы необходимо держать НИС вблизи установленного буя. Это не всегда желательно, а иногда и искажает сигналы датчиков, приводит к потерям времени и средств. Передать же информацию непосредственно на берег, нередко на расстояния несколько тысяч километров, сложно и дорого, поскольку в этом случае на каждом буе необходимо установить мощную автономную радиостанцию.

Очевидно, что задачу можно гораздо проще решить, используя какой-либо промежуточный ретранслятор, и лучше всего, если такой ретранслятор установить на ИСЗ. Тогда на буе можно разместить простой малогабаритный и надежный УКВ-передатчик с антенной, направленной вверх. Океанологические датчики буя будут периодически опрашиваться с помощью специального коммутатора и полученные сигналы записываться на буферном самописце.

При пролете ИСЗ над буем этот передатчик включается и передает накопленную информацию на спутник, где она сначала записывается на бортовой магнитофон, а затем при пролете ИСЗ над наземным пунктом связи «сбрасывается» вниз. Дальнейшее ее распределение между потребителями осуществляется уже по обычным наземным каналам связи.

Орбиты ИСЗ-ретрансляторов могут выбираться таким образом, что сеансы связи буев с ИСЗ и передача информации с буев будет осуществляться не реже одного раза в сутки. А в принципе при выборе достаточно высоких орбит ИСЗ и оснащении системы сбора данных достаточным количеством спутников можно реализовывать и более частую и даже непрерывную передачу океанологической информации с буев.

Такие спутниковые системы сбора и передачи информации (СССПИ) различного типа были разработаны в СССР, ГДР, США, Франции и других странах и прошли успешные испытания на ряде ИСЗ. В частности, аппаратура для отработки СССПИ, разработанная специалистами социалистических стран, устанавливалась на ИСЗ «Интеркосмос-20» и «Интеркосмос-21». На каждом буе в этой системе можно было установить 31 датчик, период опроса которых варьировался от 30 до 60 мин.

Во время сеанса связи ИСЗ с буем может определяться взаимное расстояние между ИСЗ и буем, чтобы по этим данным рассчитать положение буя в земной системе координат. Такие автоматические системы определения координат буев открывают широкие перспективы для использования свободно дрейфующих буев, для слежения за их перемещениями, облегчают поиск буев, их обслуживание и т. д. Точность определения координат буев при этом достигает 1 − 3 км, что вполне достаточно для решения многих практических задач.

В качестве примера технических характеристик современных СССПИ приведем основные данные франко-американской системы «Аргос», которая функционирует с 1978 г.

Район работы системы − весь земной шар

Типы ИСЗ-ретрансляторов − метеорологические ИСЗ «Тирос-Н»

Высота орбит ИСЗ-ретрансляторов − 830 км

Типы орбит − полярные или солнечно-синхронные

Максимальное количество обслуживаемых системой буев − 16 000

Средняя частота опроса буев с ИСЗ − 3,5 ч

Точность определения координат буев − 3 км

Количество измерительных каналов на каждом буе − 32

Период опроса датчиков буя − 40 − 200 с

Рабочая частота передатчика буя − 401 МГц

Вес комплекта служебной аппаратуры для буя − 1,5 кг

Энергопотребление служебной аппаратуры − не более 200 мВт

Время предварительной обработки информации от момента ее передачи с ИСЗ до момента передачи потребителю − не более 6 ч

Стоимость одного комплекта аппаратуры для буя − не более 10 тыс. фран.

Широкое применение находит сейчас и использование ИСЗ для навигации судов промыслового, транспортного и научного флота. Практически на всех крупных НИС сейчас установлены спутниковые навигационные системы и объясняется это рядом принципиальных достоинств спутниковых навигационных систем. Последние могут работать при любых метеоусловиях, в дождь и туман, а точность их работы значительно выше, чем у традиционных оптических и радиодальномерных систем. Судовое оборудование для спутниковых систем в современном исполнении имеет небольшие габариты и массу.

Идея использовать ИСЗ для навигации судов довольно проста. ИСЗ движется по орбите, параметры которой можно измерить и спрогнозировать довольно точно − с точностью до нескольких метров. Если в какой-то момент времени измерить расстояние от судна до ИСЗ или скорость изменения этого расстояния, то затем несложно рассчитать координаты судна в момент связи. Здесь используется та же идея, что и при определении координат буев в СССПИ. В спутниковой навигационной системе одновременно может использоваться несколько ИСЗ, что позволяет проводить навигационные измерения через периоды менее 1 ч.

По такому принципу построена, например, американская спутниковая система навигации «Транзит». Коммерческое использование системы началось в 1967 г., а сейчас этой системой пользуются десятки тысяч судов, находящихся в различных точках Мирового океана. В системе «Транзит» используется шесть ИСЗ, обращающихся вокруг Земли по полярным орбитам высотой 1075 км. Время наблюдения каждого ИСЗ потребителем в сеансе определения координат составляет 10 − 15 мин, я за это время ИСЗ пролетает несколько тысяч километров.

Использование полярных орбит для навигационных ИСЗ позволяет работать с системой в любом районе Мирового океана. В этой системе перерывы в навигационных наблюдениях максимальны на экваторе и составляют 80 мин. Среднеквадратичная точность определения координат судов с использованием системы «Транзит» составляет около 100 м.

Это уже достигнутый уровень. Разрабатываемая сейчас перспективная спутниковая навигационная система «Навстар» должна обеспечивать точность определения положения судов около 5 м. В состав этой системы войдут 24 ИСЗ, круговые орбиты которых будут иметь высоту около 20 тыс. км и наклонение 63°. Такое расположение ИСЗ позволит обеспечить радиовидимость из любой точки на поверхности Земли в любой момент времени не менее шести ИСЗ системы, что необходимо для непрерывных определений навигационных параметров в реальном масштабе времени.

Судовое оборудование спутниковых навигационных систем в современном исполнении имеет малые габариты, массу и потребление энергии. Так, аппаратура, разработанная для установки на малых судах, весит всего несколько килограммов и потребляет не более, чем обычная осветительная лампочка.

Конечно, использование ИСЗ для целей навигации собственно не приносит ученым новых сведений о Мировом океане, но тем не менее позволяет более эффективно решать многие традиционные задачи океанологии. Например, с использованием спутниковых навигационных систем стал возможен точный выход НИС в любую точку Мирового океана. На поиск оставленного ранее буя или донной станции в этом случае не расходуется драгоценное экспедиционное время. При проведении исследований с борта НИС, лежащего в дрейфе, можно точно определять параметры этого дрейфа и учитывать их при обработке информации.

Одним из самых последних примеров использования ИСЗ для решения «морских» задач является их применение для связи с судами. Обычные коротковолновые и низкоинформационные системы морской связи уже не могут в ряде случаев удовлетворить ученых, которым часто необходимо передавать в береговые центры (или из них на НИС) большие потоки информации, например для обработки ее на ЭВМ. Обычные УКВ-системы связи в этом случае помочь не могут, так как из-за кривизны земного шара имеют ограниченный радиус действия.

Для успешного решения задачи, как и во многих других подобных случаях, необходим промежуточный ретранслятор, и таким ретранслятором опять же может быть ИСЗ. На суше спутниковые системы связи (ССС) работают уже с начала 60-х годов. Но в том виде, в котором они были разработаны для передачи информации с одного континента на другой, эти системы не подходили для использования на море из-за больших габаритов антенн и большой сложности связной аппаратуры.

В настоящее время связная аппаратура достигла такой степени миниатюризации, что ее можно устанавливать практически на любых судах. В одной из моделей морской ССС (советской системе «Волна-С») антенна судовой приемопередающей станции имеет диаметр 1,5 м и размещается на гиростабилизированной платформе. По командам специального вычислительного устройства она наводится в расчетную точку небесной сферы (где находится связной ИСЗ) с точностью около 1° при любой качке судна.

В морских ССС используются, как правило, ИСЗ-ретрансляторы на стационарных орбитах, что значительно облегчает наведение судовых антенн и позволяет иметь в системе небольшое число ИСЗ. Так, в американскую систему «Марисат» входят только три геостационарных ИСЗ − по одному над Атлантическим (точка стояния 15° з. д.), Индийским (73° в. д.) и Тихим (176,5° в. д.) океанами.

В сентябре 1976 г. на сессии Межправительственной морской консультативной организации (ММКО) было подписано соглашение о создании первой международной системы связи и навигации для судов морского флота − системы «Инмарсат». В создании и финансировании этой системы принимает участие несколько десятков государств, в том числе и СССР. Развертывание системы будет происходить в 1982 − 1985 гг. В системе «Инмарсат» будут использоваться ретрансляторы, установленные в качестве полезной нагрузки на связных ИСЗ «Интелсат-5», «Марекс» и «Горизонт».

Наконец, в заключение этого раздела можно отметить перспективу создания спутниковой системы обнаружения судов, терпящих бедствие на море. Благородная задача охраны жизни людей, работающих в море, и их спасения также будет решаться с использованием ИСЗ.

Советский Союз участвует в настоящее время в международном проекте «Коспас − Сарсат» по созданию такой системы. В рамках этого проекта на судах и самолетах будут установлены специальные передатчики, автоматически включающиеся в момент аварии. С помощью специальных ИСЗ будет осуществляться прием сигналов этих передатчиков, определение их координат и ретрансляция аварийной информации в береговые центры, два из которых создаются на территории СССР. Начало экспериментальной эксплуатации системы «Коспас − Сарсат» намечено на 1982 г.

В настоящее время, несмотря на полученные отдельные интересные результаты, вклад космических методов в общую программу исследования Мирового океана пока еще совершенно недостаточен. Это связано прежде всего с несовершенством аппаратуры дистанционного зондирования и методов обработки поступающей из космоса информации, и в этом направлении предстоит еще много работы. Но тем не менее уже и сейчас имеется ряд примеров высокой эффективности космических методов не только для исследования Мирового океана, но и для решения важных народнохозяйственных задач.

Космическая фотоинформация, в том числе фотоинформация о Мировом океане, нашла применение сейчас во многих организациях и дает экономический эффект, исчисляющийся сотнями миллионов рублей в год.

Таким образом, космические методы исследования Мирового океана убедительно продемонстрировали свою полезность и перспективность, но это совсем не значит, что они смогут в близком или отдаленном будущем полностью заменить традиционные судовые измерения. Будущее, очевидно, за разумным объединением этих различных методов океанологических исследований, и космические методы в комплексной перспективной системе исследования Мирового океана займут достойное место.

Во всяком случае, первые опыты по исследованию Мирового океана из космоса показали, что в ближайшие годы можно ожидать новых крупных успехов в этой новой области науки, новых открытий.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Агалаков В. С, Сире А. Ш. Космические аппараты исследуют природные ресурсы. − М.: Знание, 1976.

Береговой Г. Т. и др. Исследования природной среды с пилотируемых орбитальных станций. − Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

Виноградов Б. В. Космические методы изучения природной среды. − М.: Мысль, 1976.

Исследование Земли из космоса. Ежемесяч. журнал АН СССР.− М.: Наука, 1980−1981.

Исследование земных ресурсов космическими методами. − М.: Изд-во ВИНИТИ, 1975.

Коваль А. Д., Тюрин Ю. А. Космос − Земле. − М.: Знание, 1979.

Космические исследования земных ресурсов. − М.: Наука, 1976.

Лазарев А. И., Николаев А. Г., Хрунов Е. В. Оптические исследования в космосе. − Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

Новогрудский Б. В. и др. Исследования океана из космоса. − Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

Спутниковая гидрофизика. − Севастополь, Изд-во МГИ, 1980.

Спутниковая океанология. − Л.: Изд-во ЛГУ, 1975.

Федоров К. Н. Дистанционные методы исследования океана. Итоги науки и техники. Океанология. Т. 4. − М.: Изд-во ВИНИТИ, 1977.

ХРОНИКА КОСМОНАВТИКИ*

* ПРОДОЛЖЕНИЕ (начало см.: № 11 за 1981 г.). Приводятся данные о запусках некоторых искусственных спутников Земли (ИСЗ) и полете автоматических межпланетных станций (АМС), начиная с октября 1981 г. О пилотируемых космических полетах будет рассказано в отдельном приложении. О запусках ИСЗ серии «Космос» регулярно сообщается, например, на страницах журнала «Природа», куда и отсылаем интересующихся.

6 ОКТЯБРЯ в США выведен на солнечно-синхронную околополярную орбиту ИСЗ «СМЭ». Этот ИСЗ серии «Эксплорер» предназначен для глобальных измерений озона и других параметров атмосферы, характеризующих состояние озонового слоя (в основном в мезосфере), а также измерения ультрафиолетового излучения Солнца на этих высотах. Одновременно с «СМЭ» на орбиту выведен той же ракетой-носителем (РН) радиолюбительский ИСЗ Великобритании «УОСАТ».

9 ОКТЯБРЯ в СССР запущен очередной (10-й) ИСЗ связи «Радуга». Выведенный на стационарную орбиту в точку «стояния» 85° в. д., он получил международный регистрационный индекс «Стационар-3». Наряду со стационарными ИСЗ типа «Горизонт» и «Экран», а также ИСЗ типа «Молния-1» и «Молния-3» они широко применяются в системе телевизионного вещания, действующей в нашей стране. Кроме того, ИСЗ «Стационар-3» используются для передачи матриц центральных газет на Дальний Восток.

17 ОКТЯБРЯ выведен на орбиту очередной (17-й) советский ИСЗ связи типа «Молния-3». Выводимые на высокоэллиптические орбиты, как и советские ИСЗ типа «Молния-1», они являются составными элементами системы спутниковой связи (ССС), используемой, в частности, для передачи телевизионных программ в системе «Орбита».

30 ОКТЯБРЯ в СССР запущена АМС «Венера-13» с целью продолжения исследований планеты Венера, а также проведения исследований гамма- и рентгеновского космических излучений, магнитных полей в космическом пространстве, характеристик солнечного ветра, космических лучей и межпланетной плазмы. Наряду с советской научной аппаратурой на борту АМС установлены приборы, созданные специалистами Франции (для регистрации гамма- и рентгеновских вспышек) и Австрии (магнитометр).

4 НОЯБРЯ в СССР осуществлен запуск АМС «Венера-14», которая по конструкции и назначению аналогична АМС «Венера-13».

17 НОЯБРЯ на высокоэллиптическую орбиту выведен очередной (52-й) советский ИСЗ связи «Молния-1». Он предназначен для обеспечения эксплуатации системы дальней телефонно-телеграфной радиосвязи, а также передачи телевизионных программ. Именно с запуском первых этих ИСЗ в 1965 г. в нашей стране впервые начала действовать спутниковая система дальней связи.

20 НОЯБРЯ в США выведен на стационарную орбиту в точку «стояния» 131° з. д. ИСЗ «Сатком-3Р» («Кабленет-1»). Это ИСЗ 2-го поколения национальной коммерческой ССС фирмы РКА. ИСЗ «Сатком-3Р» и «Сатком-4» должны заменить ИСЗ 1-го поколения «Сатком-1» и «Сатком-2» (запуск ИСЗ «Сатком-3» был неудачным). При запуске использовался перигейный ускоритель «ПАМ-Д», дополняющий РН «Дельта», для вывода тяжелых ИСЗ на стационарную орбиту (до этого «ПАМ-Д» применялся только при запусках ИСЗ «СБС»).

20 НОЯБРЯ в СССР в соответствии с программой сотрудничества между СССР и Индией в области исследования и использования космического пространства в мирных целях запущен индийский ИСЗ «Бхаскара-2». Он предназначен для исследования природных ресурсов Земли с помощью телевизионной аппаратуры и микроволновых радиометров, разработанных и изготовленных специалистами Индии при научно-технической помощи СССР. С борта ИСЗ осуществляется съемка земной поверхности для анализа сезонных изменений в ледниковых покровах Гималаев, состояния посевов и растительности в целом, баланса водных ресурсов Индии.

15 ДЕКАБРЯ в США на стационарную орбиту выведен 3-й ИСЗ типа «Интелсат-5» глобальной коммерческой ССС международного консорциума ИТСО. В отличие от первых двух ИСЗ «Интелсат-5», выведенных над Атлантическим океаном, данный ИСЗ имеет на борту оборудование для применения этого ИСЗ в рамках Международной глобальной спутниковой системы для связи морских судов с береговыми базами «Инмарсат», в которой принимает участие и СССР. (Более подробно об ИСЗ «Интелсат» см.: Агаджанов И. А. и др. Спутники связи, 1981 г.)

17 ДЕКАБРЯ в СССР осуществлен запуск радиолюбительских ИСЗ «Радио-3», «Радио-4», «Радио-5», «Радио-6», «Радио-7» и «Радио-8». После вывода на орбиту с апогеем 1794 км и перигеем 1685 км ИСЗ получили международный регистрационный индекс «PC». На борту ИСЗ установлены аппаратура для радиолюбительской связи и радиотелеметрическая система для передачи на Землю данных о работе бортовой аппаратуры. Управление работой ИСЗ, прием и обработка поступающей информации осуществляются приемокомандными пунктами ДОСААФ СССР.

20 ДЕКАБРЯ запущен западноевропейский ИСЗ «МАРЕКС-1» для системы связи морских судов с береговыми базами. Выведенный на стационарную орбиту над Атлантическим океаном в точку «стояния» 26° з. д., ИСЗ «МАРЕКС-1» планируется использовать в глобальной системе «Инмарсат». Вместе с комплектом приборов РН для контроля бортовых систем и траекторных измерений «КАТ-4» ИСЗ запущен во время 4-го и последнего испытательного пуска западноевропейской РН «Ариан». 1-й эксплуатационный пуск РН «Ариан» с ИСЗ «МАРЕКС-2» запланирован на апрель 1982 г..

21 ДЕКАБРЯ в СССР в рамках программы «Интеркосмос» осуществлен запуск геофизической ракеты «Вертикаль-10» для продолжения комплексных исследований атмосферы и ионосферы Земли. В стабилизированном контейнере, отделившемся от ракеты на восходящем участке траектории на высоте около 170 км, была установлена аппаратура, созданная специалистами, НРБ, ВНР, ПНР, СРР, СССР и ЧССР.

23 ДЕКАБРЯ выведен на орбиту очередной (53-й) советский ИСЗ «Молния-1».

1982

16 ЯНВАРЯ в США на стационарную орбиту в точку «стояния» 83° з. д. осуществлен запуск ИСЗ «Сатком-4». Это 2-й ИСЗ 2-го поколения национальной коммерческой ССС фирмы РКА. 3-й ИСЗ этой ССС планируется запустить в ноябре 1982 г.

5 ФЕВРАЛЯ в СССР осуществлен запуск очередного (8-го) ИСЗ телевизионного вещания «Экран». Выводимые на стационарную орбиту в точку «стояния» 99° в. д. (международный регистрационный индекс «Стационар-Т»), эти ИСЗ используются для передачи телевизионных программ в районы Приуралья и Сибири на абонентские приемные устройства упрощенного типа в труднодоступных и малонаселенных районах нашей страны.

26 ФЕВРАЛЯ в СССР выведен на орбиту очередной (54-й) ИСЗ «Молния-1».

26 ФЕВРАЛЯ в США осуществлен запуск на стационарную орбиту в точку «стояния» 99° з. д. ИСЗ «Уэстар-4». Этот ИСЗ 2-го поколения национальной коммерческой ССС фирмы «Уэстерн Юнион» вместе с ИСЗ «Уэстар-5» (запуск которого запланирован на сентябрь 1982 г.) должны заменить ИСЗ 1-го поколения «Уэстар-1» и «Уэстар-2». ИСЗ «Уэстар» 2-го поколения разработаны по совместному проекту развертывания спутниковой системы слежения и ретрансляции данных ТДРСС.

1 МАРТА спускаемый аппарат (СА) «Венеры-13» осуществил мягкую посадку на поверхность планеты Венера в равнинной местности к востоку от области Феба. Спуск длился около 1 ч, а работа аппаратуры на поверхности − 2 ч 07 мин. Получены четкие панорамы ландшафта в местах посадки в черно-белом и цветном изображениях. Проведены бурение поверхностного слоя и забор грунта в герметический отсек с целью анализа его химического состава. При этом проведен сброс температуры отобранных проб с 457 до 20 − 30 °C, а давления − с 89 до 0,1 − 0,2 атм. Во время спуска осуществлялись исследования атмосферы планеты.

5 МАРТА осуществлена мягкая посадка СА АМС «Венера-14» на поверхность планеты Венера восточнее области Феба в 1000 км от места посадки СА «Венеры-13». Работа аппаратуры на поверхности продолжалась около 1 ч. Проведены исследования, аналогичные выполненным с помощью СА «Венеры-13». В настоящее время продолжается программа исследований с помощью обеих АМС, выполняющих полет по гелиоцентрической орбите. О предварительных результатах работы приборов СА «Венеры-13» и «Венеры-14» будет рассказано в ближайшем сборнике «Современные достижения космонавтики».

5 МАРТА в США на стационарную орбиту в точку «стояния» 173° в. д. запущен 4-й ИСЗ типа «Интелсат-5» глобальной коммерческой ССС международного консорциума ИТСО. Запуск следующего (5-го) ИСЗ типа «Интелсат-5» запланирован на май 1982 г. На декабрь 1983 г. намечен запуск 1-го ИСЗ типа «Интелсат-5А» следующего поколения этой ССС.

15 МАРТА в СССР запущен 5-й ИСЗ связи «Горизонт», который является модификацией подобного типа ИСЗ. Выведенный на стационарную орбиту в точку «стояния» 53° в. д., этот ИСЗ, помимо использования для передач телевизионных программ на сеть станций «Орбита», «Интерспутник» и «Москва», имеет дополнительные ретрансляторы (получившие международные регистрационные индексы «Луч» и «Волна»), с помощью которых обеспечивается спутниковая связь с морскими судами и самолетами.

24 МАРТА в СССР запущен очередной (18-й) ИСЗ связи «Молния-3».

25 МАРТА выведен на орбиту очередной (8-й) советский метеорологический ИСЗ «Метеор-2». На его борту установлена комплексная аппаратура для получения глобальных изображений облачности и подстилающей поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах, а также радиотелеметрическая аппаратура. Последняя может работать как в режиме запоминания, так и. в режиме непосредственной передачи информации в Государственный научно-исследовательский центр изучения природных ресурсов и Гидрометцентр СССР.

10 АПРЕЛЯ в США запущен на стационарную орбиту в точку «стояния» 74° в. д. индийский ИСЗ «Инсат-1А», разработанный и изготовленный американской фирмой «Форд». С помощью этого многоцелевого ИСЗ осуществляются дальняя связь, прямое телевизионное вещание на коллективные приемники, а также сбор и передача метеорологических данных. С выводом этого ИСЗ на орбиту введена в строй 1-я ССС Индии. Запуск 2-го ИСЗ для данной ССС запланирован на 1983 г.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПИЛОТИРУЕМЫХ ПОЛЁТАХ *

* ПРОДОЛЖЕНИЕ (начало см.: № 11 за 1980 г.; № 4 и 8 за 1981 г.).

Дата запуска Экипаж (1-м указан командир корабля) Корабль Продолжительность 12. XI.81 Дж. Энгл (США) Р. Трули (США) «Колумбия» (США) 2 сут 6 ч 13 мин 22. III.82 Дж. Лусма (США) Ч. Фуллертон (США) «Колумбия» (США) 8 сут 5 мин

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ОСНОВЫ КОСМИЧЕСКОЙ ОКЕАНОЛОГИИ

ИССЛЕДОВАНИЯ ОКЕАНА ИЗ КОСМОСА В ВИДИМОМ И БЛИЖНЕМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНАХ

ИССЛЕДОВАНИЯ ОКЕАНА ИЗ КОСМОСА В ТЕПЛОВОМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ СПЕКТРА

РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОКЕАНА ИЗ КОСМОСА

ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИЕ ИСЗ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСЗ ДЛЯ СВЯЗИ И НАВИГАЦИИ НА МОРЕ

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

ХРОНИКА КОСМОНАВТИКИ*

Реклама на сайте