Космические методы в океанологии

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.