Космические методы в океанологии - Анатолий Большаков

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.