Космические методы в океанологии - Анатолий Большаков

Первые измерения собственного теплового радиоизлучения Земли из космоса были выполнены в 1968 г. с помощью советского ИСЗ «Космос-243» и продолжены затем в 1970 г. с использованием ИСЗ «Космос-384». В дальнейшем в СССР СВЧ-радиометрические исследования Земли выполнялись с помощью ИСЗ серии «Метеор», а также ИСЗ «Космос-669», «Космос-1076», «Космос-1151», ИСЗ серии «Интеркосмос», с борта ОКС «Салют». Аналогичные исследования в США начались в 1972 г., когда был выведен на орбиту ИСЗ «Нимбус-5». Продолжены они были затем на борту ОКС «Скайлэб» и с помощью ИСЗ «Нимбус-6», «Сисат» и др.

В перечисленных космических экспериментах были отработаны основные принципы использования дистанционных СВЧ-методов для исследования Земли из космоса, в частности, была показана перспективность применения космических пассивных радиометодов для изучения следующих характеристик Мирового океана и атмосферы Земли:

содержания водяного пара в атмосфере и его распределения над океаном;

влагосодержания облаков и оценки интенсивности осадков;

исследования температуры поверхности океана;

определения границ штормовых районов;

определения границ и состояния плавающего льда;

обнаружения нефтяных загрязнений океана.

СВЧ-радиометрическая аппаратура, установленная на ИСЗ «Космос-243» и «Космос-384», позволила принимать излучение океанской поверхности на волнах длиной 0,8; 1,35; 3,4 и 8,5 см. Флуктуационная чувствительность у этих первых радиометров составляла 1 К при постоянной времени 1 с. Антенны всех радиометров были направлены вертикально вниз и просматривали полосу вдоль трассы полета ИСЗ. Линейный размер участка поверхности Земли, который попадал в поле зрения антенны (пространственное разрешение получаемой информации), на волне 8,5 см составлял около 50 км, а на коротких волнах доходил до 20 км.

Калибровка температурных шкал радиометров осуществлялась с помощью специального генератора шума, периодически подключаемого к входному тракту радиометра вместо приемной антенны. В качестве опорного сигнала радиометров использовалось излучение космического фона, принимаемое небольшими рупорными антеннами.

Совместная обработка данных, получаемых со всех четырех радиометров, позволила определить распределение ряда океанологических параметров вдоль трассы полета ИСЗ. Точность определения одного из основных среди них − температуры морской поверхности океана − в этом первом эксперименте составляла 1 − 3 К.

На борту американских ИСЗ «Нимбус-5» и «Нимбус-6», помимо штатной метеорологической аппаратуры оптического диапазона, было установлено по два прибора пассивного зондирования в СВЧ-диапазоне. Одним из них был 5-канальный радиоспектрометр, измерявший интенсивность излучения подстилающей поверхности на частотах 22,23; 31,65; 52,86; 53,84 и 55,44 ГГц. Другим был одноканальный сканирующий радиометр, работавший на длинах волн 1,55 см («Нимбус-5») и 0,8 см («Нимбус-6»). С помощью этих последних приборов впервые были получены радиоизображения Земли из космоса.

Чувствительность радиометров ИСЗ «Нимбус» составляла 0,5 − 0,8 К. Точность определения температуры поверхности океана по данным этих экспериментов оказалась примерно такой же, как и в экспериментах, проводимых с помощью ИСЗ серии «Космос», а пространственное разрешение − примерно на порядок хуже (из-за большей высоты орбиты).

В последние годы наряду с пассивными развиваются и активные методы исследования Мирового океана из космоса в радиодиапазоне. При активных методах на борту КА устанавливается мощный источник радиоизлучения, энергия которого направляется вниз, на океан. Отраженные поверхностью океана и рассеянные его водной толщей радиоволны возвращаются назад, где регистрируются специальными приемниками, и анализ принятых сигналов позволяет судить об интересующих океанологических параметрах.

Эти простые идеи исследований океана из космоса оказались чрезвычайно плодотворными, и к настоящему времени уже накоплен достаточно большой опыт применения активных радиометодов в космической океанологии. В последние несколько лет в космосе прошли испытания три типа приборов для активных исследований океана в радиодиапазоне: скаттерометры (или измерители коэффициента обратного рассеяния), высотомеры (или альтиметры) и радиолокаторы бокового обзора.

Использование радиолокационных скаттерометров в космической океанологии основано на том, что статистические свойства отраженного радиосигнала, зависят от статистических свойств отражающей поверхности. Используя это явление, можно изучать дистанционными методами характеристики ветрового волнения на поверхности океана, поскольку именно волнение определяет степень неровности и шероховатости морской поверхности.

При облучении поверхности океана радиоволнами особенно интенсивно отражаются волны, для которых выполняется так называемое условие резонансного рассеяния. При наклонном облучении океана резонансное рассеяние наблюдается на морских волнах, длина которых примерно равна половине длины волны зондирующего радиоимпульса.

Мерой интенсивности рассеяния падающего излучения исследуемой поверхностью является так называемое поперечное сечение обратного рассеяния. Данная величина пропорциональна частоте падающего радиоизлучения и средней частоте волн на взволнованной поверхности океана. С учетом этого открывается принципиальная возможность изучения формы спектра рассеивающих элементов волнения океана по измеренной на борту КА величине сечения обратного рассеяния зондирующего радиосигнала. При этом также можно определить и среднюю высоту морских волн, так как амплитуда принятого скаттерометром обратного сигнала пропорциональна среднеквадратичной высоте волн.

Не менее важным является также и то, что характеристики ветрового волнения тесно связаны с силой ветра в приводном слое атмосферы и, следовательно, возможность дистанционного определения этого параметра из космоса делает измерения с помощью бортового скаттерометра КА особенно ценным. Вследствие быстрого перемещения КА по орбите принимаемый скаттерометром рассеянный сигнал будет иметь определенное доплеровское смещение, зависящее от угла излучения радиоволн по отношению к направлению полета. Это необходимо учитывать при использовании приемопередающих антенн с широкой диаграммой направленности.

Для лучшего выявления статистических свойств отражающих поверхностей в космической скаттерометрии применяется облучение поверхностей наклонными пучками. Как показали первые эксперименты, для исследования Мирового океана можно использовать зондирующие радиоимпульсы с углами падения в диапазоне 30 − 60°. Это обстоятельство позволяет с помощью аппаратуры просматривать при полете КА довольно широкую полосу на поверхности Мирового океана, равную высоте орбиты ИСЗ или даже больше.

Большие возможности исследования океана из космоса открыло использование для этих целей радиовысотомеров, или радиоальтиметров. Идея радиоальтиметрии так же проста, как и идеи других дистанционных методов. Если точно измерить время прохождения зондирующего радиоимпульса от КА до поверхности океана и обратно, то затем можно легко вычислить и расстояние от КА до поверхности океана. Применение этого метода долгое время ограничивалось недостаточной точностью измерений, но в настоящее время прогресс в области радиолокации позволяет определять расстояния с точностью до нескольких десятков или даже единиц сантиметров, а, с другой стороны, точность определения траекторных параметров с использованием специальных лазерных измерительных комплексов возросла также до указанных величин.

Таким образом, в радиоальтиметрии можно использовать орбиту КА в качестве опорной линии и относительно нее с помощью высотомера измерять профиль океанской поверхности. При этом можно обнаружить крупномасштабные неровности рельефа поверхности, вызываемые аномалиями гравитационного поля Земли, океанскими течениями, волнами цунами, штормовыми нагонами и другими явлениями. Помимо решения этих задач, с помощью космических альтиметров, как выяснилось, можно успешно решать задачи исследования распределения волнения океана вдоль траектории полета ИСЗ.

Действительно, если космический альтиметр излучает короткий радиоимпульс прямоугольной формы, то возвратившийся импульс, отраженный от океанской поверхности, будет значительно трансформирован. В первую очередь у отраженного импульса будут сильно размыты его фронты, причем размытие переднего фронта (наклон его передней кромки) определяется в основном величиной волнения океана в подспутниковой точке. Приход сигналов, отраженных от различных по высоте элементов взволнованной поверхности, происходит не одновременно. Чем сильнее волнение океана в подспутниковой точке, чем больше там высота волн, тем сильнее расширяется зондирующий радиоимпульс. Такую зависимость можно использовать для измерения высоты волн, и это второе, не менее важное применение космических альтиметров.