Анатолий Большаков - Космические методы в океанологии

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.

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.

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.