Космические методы в океанологии - Анатолий Большаков

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.