Космические методы в океанологии

РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОКЕАНА ИЗ КОСМОСА

Радиофизические методы исследования Мирового океана из космоса, включая и исследования атмосферы над океаном, проводятся в микроволновом или, иначе говоря, в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне спектра на радиоволнах с длиной от нескольких миллиметров до нескольких дециметров. Формирование собственного теплового излучения океана или отраженного его поверхностью определяется в радиодиапазоне обширным комплексом гидрофизических параметров, что позволяет в ряде случаев получать информацию, которую трудно или просто невозможно добыть при зондировании океана в оптическом диапазоне спектра.

Прозрачность земной атмосферы в радиодиапазоне велика, причем относительно прозрачна даже облачная атмосфера. Это позволяет с помощью радиометодов проводить исследования там, где трудно или просто невозможно использовать оптические методы. Конечно, в той или иной мере атмосфера Земли и в этом диапазоне влияет на излучение поверхности океана, регистрируемое на борту КА, однако в ряде случаев это влияние невелико и его можно учесть. По сравнению с видимым и инфракрасным диапазонами спектра, влияние атмосферы в радиодиапазоне значительно меньше, и передаточная функция атмосферы значительно ближе к единице.

Так, по данным одной из экспериментальных работ, выполненных советскими учеными, в области длин волн около 0,8 см совершенно непрозрачный для волн оптического диапазона плотный слой кучевых облаков толщиной около 1,5 км над акваторией Азовского моря приводил к изменению так называемой радиояркостной температуры морской поверхности на 20 − 25 К. При переходе же к волнам с длиной волны 3,2 см вклад атмосферы еще более уменьшался, и ошибка измерения радиояркостной температуры моря, определяемая атмосферой, уменьшалась до 3 К, т. е. не превышала 1 − 2 %.

Общая тенденция здесь такова: более длинноволновое излучение океана свободнее проходит сквозь атмосферу, не ослабевая, и его целесообразней использовать при изучении Мирового океана из космоса. В то же время исследования в коротковолновой миллиметровой области спектра позволяют судить о водности облаков в приводном слое атмосферы, определять количество водяного пара, выделять районы осадков и решать другие задачи, связанные с комплексным исследованием процессов, протекающих в системе океан − атмосфера.

Кроме того, при выборе рабочего диапазона частот необходимо учитывать, что при использовании на борту ИСЗ одних и тех же приемных антенн для волн различной длины (а это часто обусловлено конструкцией ИСЗ) пространственное разрешение получаемой информации не будет постоянным. При работе на более коротких волнах можно получить информацию с повышенным пространственным разрешением, а при работе на более длинных волнах информация по своему разрешению будет хуже.

В космической океанологии при использовании волн радиодиапазона нашли широкое применение оба метода дистанционного зондирования − активный и пассивный. Активный метод исследования Мирового океана из космоса основан на использовании известных принципов и методов радиолокации, а пассивный − на регистрации собственного теплового радиоизлучения океанских вод с помощью чувствительных СВЧ-радиометров.

Современные спутниковые СВЧ-радиометры позволяют с высокой точностью определять излучение океана одновременно на нескольких длинах волн и на двух видах линейной поляризации: горизонтальной и вертикальной. Строго говоря, принимаемый этими устройствами поток радиоизлучения Земли состоит из следующих основных слагаемых: потока излучения слоя атмосферы, расположенного между поверхностью и КА; потока излучения атмосферы, отраженного земной поверхностью, и потока излучения подстилающей поверхности, ослабленного поглощением в атмосфере. Для нужд космической океанологии интерес представляет, естественно, только третье слагаемое, а первые два являются помехами.

Еще первые, проведенные с использованием самолетов-лабораторий, эксперименты показали, что степень влияния различных океанологических параметров на интенсивность излучения (или, что то же самое, на радиояркостную температуру) океанской поверхности сильно зависит от длины волн. Кроме того, излучение океанской поверхности зависит и от угла, под которым ведется наблюдение. Результирующая информация, как правило, зависит одновременно от многих океанологических параметров, и поэтому чтобы точно и эффективно решать задачи космической океанологии, необходимо использовать многочастотные и поляризационные измерения, позволяющие разделять различные составляющие и определять все интересующие океанологические параметры.

Например, при исследовании нефтяного загрязнения Мирового океана используется то, что радиояркостная температура поверхности океана, покрытой нефтяной пленкой, выше яркостной температуры чистой воды. На волнах с длиной волны 10 см увеличение яркостной температуры примерно пропорционально толщине пленки и равно 1 К на 1 мм толщины пленки, что близко к величине чувствительности современных радиометров. Следовательно, такие пленки с помощью радиометодов могут быть надежно идентифицированы. При переходе в коротковолновую область, в область длин волн несколько миллиметров, возрастание радиояркостной температуры загрязненной поверхности достигает уже нескольких десятков градусов, т. е. еще более заметно.

Основой дистанционных измерений термодинамической температуры поверхностного слоя океана в СВЧ-диапазоне является то, что радиояркостная температура пропорциональна термодинамической. В диапазоне длин волн 8 − 10 см влияние атмосферы и других помех минимально, и поэтому этот диапазон волн наилучшим образом подходит для температурных измерений.

Используемая в радиометрии радиояркостная температура связана с обычной термодинамической температурой через коэффициент радиоизлучения морской воды. Величина этого коэффициента очень сильно изменяется в зависимости от условий наблюдения и от многих гидрометеорологических параметров. Излучательная способность воды для многих углов наблюдений значительно меньше единицы и сильно зависит от степени поляризации используемых радиоволн.

Поскольку космические исследования с помощью сканирующей аппаратуры ведутся в широком диапазоне углов наблюдений, то эту зависимость необходимо учитывать при обработке данных радиометров. На коэффициент излучения океанской поверхности сильно влияет и коэффициент ее шероховатости, т. е. величина волнения океана. А поскольку величина волнения тесно связана со скоростью ветра в приводном слое, то, таким образом, можно исследовать и этот параметр.

Особенно резкое возрастание излучательной способности океанской воды происходит при появлении на ее поверхности пены, образующейся при сильном ветре. Излучательная способность такой пены в радиодиапазоне близка к единице, поэтому в излучении океанской поверхности при появлении пены наблюдается резкий скачок, хорошо заметный на всех длинах волн. А поскольку, как хорошо известно океанологам, пена на поверхности океана возникает при ветре более четырех баллов, в штормовых условиях, то это обстоятельство позволяет уверенно дистанционно определять границы штормовых районов, т. е. районы, опасные для мореплавания.

Аналогичным образом можно определить из космоса границы ледяных полей, толщину плавающих льдов, их сплоченность, возраст и направление дрейфа. Радиоизлучение ледяных покровов океана имеет свои отличительные характеристики, это и позволяет решать перечисленные задачи.

Дистанционные измерения в СВЧ-диапазоне из космоса могут быть использованы и для определения вариаций солености воды в Мировом океане. Для решения этой задачи наиболее подходит длинноволновый диапазон с длинами волн 20 − 30 см. На более коротких длинах волн эффект солености, т. е. соответствующее изменение радиояркостной температуры поверхности, пренебрежимо мал, а на более длинных волнах сказывается влияние шумов от поглощения радиоизлучения океана в ионосфере и помех от активных радиолокаторов.

Численные оценки показывают, что для длины волны 20 см и температуры океана 15 °C изменение солености на 1‰ (а средняя соленость воды в Мировом океане около 35‰ и она изменяется при переходе от экватора к высоким широтам всего на 3 − 4‰) вызывает изменение радиояркостной температуры всего на 0,3 К. При существующей точности спутниковых радиометров (0,5 − 0,8 К) можно, следовательно, определять границы раздела пресных и соленых вод в районах впадения в Мировой океан крупных рек и другие подобные большие перепады солености.

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.

Для повышения точности измерений океанологических параметров с помощью космических альтиметров осуществляется посылка зондирующих импульсов короткими сериями с последующей статистической обработкой отраженных радиосигналов. Для измерения волнения океана с помощью альтиметров с приемлемой точностью (до 0,5 м) необходимо использовать радиоимпульсы продолжительностью не более 3 не. Поскольку облученное пятно на поверхности океана имеет диаметр порядка нескольких километров, приходится при расчетах допускать, что поле волнения внутри него однородно.

Наклон задней стороны зондирующего импульса, как показали данные экспериментов, определяется в основном ошибками ориентации КА относительно местной вертикали, и эти данные можно использовать для управления угловым положением КА.

Одним из наиболее перспективных приборов для космических исследований Мирового океана является, по оценкам многих экспертов, радиолокатор бокового обзора (РЛБО). Подобные приборы позволяют получать «радиоизображения» поверхности океана, на которых можно непосредственно видеть некоторые океанологические явления, например крупные волны. С помощью РЛБО можно определять границы ледяных полей, исследовать статистические характеристики волнения, определять загрязнения Мирового океана нефтепродуктами и решать ряд других океанологических задач. Все явления, которые приводят к трансформации поверхностного волнения в океане, могут быть исследованы с помощью этих приборов.

Поперечная развертка изображения океанской поверхности, формируемого с помощью космического РЛБО, осуществляется путем временной селекции и обработки отраженных радиоимпульсов, а продольная − за счет орбитального движения ИСЗ. С помощью РЛБО можно получать картину волнения океана сравнительно быстро и на больших площадях. Для того чтобы информация имела высокое пространственное разрешение (до 50 м), в РЛБО необходимо использовать короткие зондирующие импульсы и узкую диаграмму направленности излучающей антенны в горизонтальной плоскости. При реальных ограничениях на размеры антенн КА последнего можно достичь лишь с помощью РЛБО с синтезированной апертурой.

По внешнему виду радиоизображения поверхности океана, полученные с помощью РЛБО, несколько напоминают космические фотографии, полученные с помощью обычной фотоаппаратуры. Участки взволнованной океанской поверхности на таких радиоизображениях выделяются более светлым тоном, так как лучше рассеивают падающее радиоизлучение. А пятна нефтепродуктов на радиоизображениях, наоборот, выглядят более темными, поскольку в них происходит «выглаживание» поверхностного волнения и уменьшается доля энергии излучения РЛБО, рассеянная в обратном направлении. Особенно эффективна обработка информации РЛБО на ЭВМ. В этом случае могут быть выявлены явления, которые не видны на «необработанных» радиоизображениях океана.

Активные радиофизические методы исследования Мирового океана впервые были испытаны в 1973 г. при полете ОКС «Скайлэб». Станция была выведена на круговую орбиту высотой 440 км с углом наклонения к плоскости экватора 50°. На борту ОКС «Скайлэб» было установлено два радиолокационных прибора: скаттерометр и высокоточный радиовысотомер. Объединенное для двух приборов антенное устройство позволяло осуществлять механическое сканирование луча по двум ортогональным направлениям в диапазоне ±50°. Ширина, диаграммы направленности главного лепестка антенны составляла 1,5° при рабочей частоте альтиметра 13,9 ГГц.

Относительная точность измерений профиля поверхности океана с помощью этого высотомера была около 1 м. Длительность импульсов космического радиовысотомера могла изменяться в диапазоне от 10 до 130 нс. Частота повторения импульсов в режиме измерения высоты доходила до 250 импульсов в секунду, что позволяло после статистической обработки отраженных сигналов получать до 8 замеров высоты в 1 с, т. е. пространственное разрешение данных радиовысотомера ОКС «Скайлэб» вдоль трассы полета было около 1 км. Мощность излучения энергии в импульсе радиовысотомера доходила до 2 кВт.

В ходе полета ОКС «Скайлэб» тремя сменами экипажей было проведено более 150 серий радиофизических экспериментов. Уже в этих первых испытаниях космических активных радиометодов был получен ряд важных результатов. Так, обработка данных скаттерометра показала, что с помощью этого прибора можно измерять волнение на поверхности океана с волнами высотой более 1 м, а также определять силу и направление ветра в приводном слое воздуха. Точность определения силы ветра с помощью этого прибора составила около 10 % при изменениях ветра в диапазоне от 0 до 20 м/с. Особо важно отметить, что с помощью скаттерометра ОКС «Скайлэб» несколько раз исследовалось распределение ветра и волнения в зонах тропических циклонов (ураганов), а это для океанологов и мореплавателей представляет особое значение.

Эксперименты с космическим радиовысотомером также оказались весьма успешными. Впервые в этих экспериментах была наглядно продемонстрирована принципиальная возможность спутниковой альтиметрии для решения океанологических задач. Так, по данным альтиметра «Скайлэба», была уточнена форма поверхности геоида в районах некоторых гравитационных аномалий и выяснились многие интересные данные, ранее неизвестные науке. Например, наглядно было продемонстрировано, что над районами глубоководных впадин и желобов поверхность Мирового океана слегка прогибается, как бы повторяя форму океанского ложа. Над подводными возвышенностями и подводными горами, поднимающимися над дном океана на несколько километров («гайотами»), наблюдается обратная картина − над поверхностью океана в этом случае как бы вырастает своеобразный купол.

В частности, по этим данным уточнена форма поверхности океана в районе известного Бермудского треугольника. В этом районе находится так называемая Пуэрториканская впадина, и, как показали измерения, проводившиеся с борта ОКС «Скайлэб», связанная с ней гравитационная аномалия проявляется в понижении среднего уровня океана над впадиной. На рис. 8 в верхней части показана трасса полета ОКС «Скайлэб» от берегов Южной Каролины в США до острова Пуэрто-Рико в Центральной Атлантике. В нижней части рисунка представлены результаты измерений профиля океанской поверхности с помощью альтиметра и данные обычных промеров глубин.

Верхняя кривая представляет собой разность между уровнем земного эллипсоида и высотой, измеренной с помощью альтиметра. На этой кривой хорошо заметна. понижение профиля поверхности океана над так называемым обрывом Блейка, небольшой подъем над районом подводной равнины и 15-метровая депрессия (впадина) на поверхности океана с поперечником около 100 км над Пуэрториканской впадиной. Интересно, что по данным альтиметра хорошо видна разница уклонов у северной и южной сторон впадины.

Рис. 8. Трасса полета ОКС «Скайлэб» на одном из витков (а); топография поверхности океана по данным альтиметра (верхняя кривая) и данные гидрографических промеров глубины в этом районе океана (нижняя кривая). По вертикали (б) − отклонение поверхности океана в метрах и глубина океана в километрах, по горизонтали − полетное время

Естественно, все эти впадины и купола на океанской поверхности по своей величине сравнительно малы и не превышают 10 − 20 м. А поскольку горизонтальные размеры этих «неровностей» океанской поверхности составляют десятки и сотни километров, то они совершенно незаметны при измерениях с борта НИС и не могут быть выявлены никакими традиционными методами.

Второй эксперимент по космической альтиметрии был осуществлен в 1975 г. после вывода на орбиту ИСЗ «ГЕОС-3». Этот ИСЗ был выведен на круговую орбиту высотой 840 км и на его борту был установлен альтиметр, имевший в основном те же характеристики, что и альтиметр ОКС «Скайлэб». В результате были исследованы обширные районы Мирового океана и получены новые данные о форме его поверхности. С использованием альтиметрии было обнаружено, например, изменение уровня поверхности Мирового океана в районах крупных океанских течений, таких, как Гольфстрим или Куросио.

Результаты экспериментов, выполненных на борту ОКС «Скайлэб» и с помощью ИСЗ «ГЕОС-3», показали, что активные радиометоды могут быть эффективным всепогодным средством исследования Мирового океана из космоса. По многим оценкам, применяемые для этих целей приборы будут основным рабочим инструментом разрабатываемых океанологических ИСЗ, предназначенных для слежения за состоянием Мирового океана при любых метеоусловиях − днем и ночью.