Космические методы в океанологии - Анатолий Большаков

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.