Космические методы в океанологии - Анатолий Большаков

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.