Космические методы в океанологии - Анатолий Большаков

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.