Космическая океанология
За тридцать лет космической эры ученые убедились, что исследование Земли из космоса дает такие возможности, каких им не получить никаким иным путем. Напомню еще раз: площадь Мирового океана — более 360 миллионов квадратных километров! А сколько может изучить одно научно-исследовательское судно за один, пусть даже многомесячный, рейс? И совсем другое дело — исследование океана с борта искусственного спутника Земли или с орбитальной станции.
Подсчитано, например, что определение одной лишь температуры поверхности Мирового океана (а это один из важнейших параметров для исследователей), проведенное не космическими методами, требует одновременной работы в океанах 20 тысяч научно-исследовательских судов! Да такую флотилию и по всей Земле не набрать…
Огромная обзорность и информативность — вот главные достоинства и принципиальные отличия космических методов изучения от наземных. И они особенно полезны оказались океанологии на современном этапе.
У вас может возникнуть вопрос: «Какие же задачи конкретно под силу космическим методам?» Что ж, приведу несколько примеров. Возьмем хотя бы распределение хлорофилла в океане — в глобальном масштабе. На уроках в школе вам наверняка рассказывали, что хлорофилл — это зеленое вещество, которое преобразует солнечный свет в биомассу, то есть помогает растениям строить свой организм. Это, можно сказать, основа всей жизни. Хлорофилл входит в состав всех растений на суше и в микроскопические водоросли — фитопланктон, — обитающие в океанской воде. Они пополняют запасы кислорода в атмосфере Земли. Они же служат и первым звеном пищевой цепи. Фитопланктон служит пищей зоопланктону, который, в свою очередь, идет на обед рыбам и моллюскам. А те составляют наш с вами рацион.
Значит, чем больше хлорофилла в воде, тем больше и рыбы, тем богаче район океана.
Первые целенаправленные космические исследования поверхности Мирового океана были выполнены с борта орбитальной космической станции «Салют-6» и с помощью искусственных спутников Земли «Интеркосмос-20» и «Интеркосмос-21». На борту космических аппаратов размещалась сложная аппаратура, разработанная в Советском Союзе и в социалистических странах. Американские ученые пользовались результатами, полученными с помощью спутника «Нимбус-7».
Даже самые первые результаты всех этих исследований были прекрасными. А сейчас разрабатываются уже совсем новые методы глубинного зондирования океана из космоса. Оно будет проводиться с помощью так называемых лидаров, или лазерных локаторов, работающих в оптическом диапазоне.
Спутники помогают определить границы штормовых районов в океане и границы плавающих льдов. Можно легко себе представить, насколько ценна такая информация для штурманов, прокладывающих маршруты судам, особенно в высоких широтах. Спутники сообщают о нефтяных загрязнениях океана, несут экологическую службу Земли.
Есть в океане одно загадочное, до сих пор до конца не выясненное явление — внутренние волны. Возникают они в океанских глубинах там, где меняется плотность слоев океанской воды. А сила их такова, что некоторые специалисты считают именно внутренние волны повинными в гибели американской атомной подводной лодки «Трэшер».
Внутренние волны способствуют распространению звука в толще океанских вод. Вы ведь знаете, наверное, что звук — главный инструмент в исследованиях океанологов. Свет и радиоволны чрезвычайно быстро затухают в воде. А звук распространяется даже лучше, чем в атмосфере. Ученые обнаружили, что в глубинах океана могут создаваться такие подводные звуковые каналы-волноводы, по которым звук пробегает многие тысячи километров. Вот только путь его не прям, а весьма прихотлив и извилист. Как же изучить законы движения звука в воде, как узнать, по каким путям бежать ему легче, по каким — труднее? Ведь с поверхности внутренние волны не видны…
И вот оказалось, что они довольно точно проектируются на водную гладь, но видно это только с большой высоты, из космоса. Где видна рябь, там находится гребень внутренней волны, где поверхность воды гладкая — там ее впадина. Наши космонавты зарегистрировали внутренние волны у побережья Камчатки, у Галапагосских островов, у берегов Колумбии и в Арафуртском море между Новой Гвинеей и берегами Австралии.
Иногда информация космонавтов ставила ученых в тупик. Например, еще во время самых первых полетов космонавты докладывали, что прекрасно различают невооруженным глазом на поверхности океана суда и прочие мелкие предметы. Я говорю «мелкие», потому что нужно учитывать, с какой высоты на них смотрят.
В это было невозможно поверить. И прошло немало времени, прежде чем появились какие-то объяснения. Этому, как теперь считают, способствует определенное состояние атмосферы.
А вот другой пример: во время сеансов связи экипажи не раз уверяли, что видят подводные океанические хребты, которые идут по дну, на глубинах сотен и даже, может быть, тысяч метров. Специалисты-оптики в один голос уверяют, что это невозможно. Ведь даже самая прозрачная океанская вода на глубине в 100–200 метров должна полностью поглотить солнечный свет. Так что же тогда видят космонавты?.. Предположений много, но точного ответа пока нет.
Наши «космические братья» В. Ляхов и В. Рюмин с борта станции «Салют-6» видели в Индийском океане какое-то непонятное «вздыбливание» воды. Будто на протяжении доброй сотни километров столкнулись две волны, идущие навстречу друг другу.
Но такого явления в природе быть просто не может. Значит, еще одна загадка…
Каждый полет, каждая фотография, переданная с борта космического корабля или орбитальной станции, переданная специальным океанологическим спутником, приносит нам новые сведения о его величестве Мировом океане. И приносит новые загадки, только успевай разгадывать…
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
history.wikireading.ru
А. А. Большаков, кандидат технических наук
КОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ОКЕАНОЛОГИИ
В последние годы в отечественной и зарубежной космонавтике все больший вес набирают программы дистанционного исследования Земли из космоса, с помощью автоматических искусственных спутников Земли (ИСЗ) и с борта пилотируемых орбитальных космических станций (ОКС). Разнообразная исследовательская аппаратура, установленная на советских и американских ИСЗ «Космос», «Метеор», «Нимбус», «НОАА», «Лэндсат» и др., на космических кораблях «Союз», «Джемини», «Аполлон», на ОКС «Салют» и «Скайлэб», позволила получить важную «космическую» информацию об облике нашей планеты, ее атмосфере, твердой поверхности и водной оболочке.
Значительная часть этих космических аппаратов (КА) предназначалась для нужд метеорологии, на борту многих других был установлен довольно универсальный комплекс исследовательской аппаратуры, предназначенный для изучения природных ресурсов Земли. Причем весьма многоплановая информация, получаемая с помощью подобных КА, частично использовалась метеорологами, частично − геологами, географами, гляциологами, представителями других наук о Земле и лишь незначительная часть информации применялась океанологами − специалистами в области исследования Мирового океана.
Этот, на первый взгляд, неожиданный факт можно объяснить тем, что для океанологов требуется в подавляющем большинстве случаев весьма специфичная информация, отличная от той, которая необходима специалистам, изучающим атмосферу или твердую оболочку Земли. Это обстоятельство, а также и всевозрастающая необходимость во всестороннем комплексном исследовании Мирового океана, потребности мореплавания послужили толчком к разработке новых методов дистанционных исследований и привели к созданию в СССР и США в конце 70-х годов специализированных океанологических ИСЗ, т. е. предназначенных только для исследования океана.
В рамках программы исследования Мирового океана из космоса в СССР были выведены на орбиты ИСЗ «Космос-1076» и «Космос-1151», а также созданные в сотрудничестве со специалистами ГДР, ВНР и ЧССР океанологические ИСЗ «Интеркосмос-20» и «Интеркосмос-21». В США в рамках программы исследования Мирового океана был выведен на орбиту ИСЗ «Сисат». Именно с запусками этих ИСЗ связано появление термина «космическая океанология», который в настоящее время стал широко распространенным и общеупотребимым.
О проблемах космической океанологии, об использовании космических методов и средств для исследования и освоения ресурсов Мирового океана и пойдет речь в данной брошюре.
ОСНОВЫ КОСМИЧЕСКОЙ ОКЕАНОЛОГИИ
За последние два-три десятилетия человечество все более пристальное внимание стало обращать на водную оболочку нашей планеты − Мировой океан. Причин этому много, и, по-видимому, одной из главных из них является настоятельная необходимость лучше познать сам океан, изучить происходящие в его глубинах и на поверхности процессы, подсчитать запасы минеральных и пищевых ресурсов и выяснить, как эффективнее использовать его в качестве транспортной магистрали. Сейчас, когда многие страны испытывают все более острый дефицит пищевого белка, когда истощаются ресурсы суши, когда на суше уже выработаны многие месторождения нефти и других полезных ископаемых, человечество возлагает все большие надежды на океан, на его богатства.
Программы исследования Мирового океана во всех развитых странах расширяются стремительными темпами. Просторы Мирового океана непрерывно бороздят научно-исследовательские суда (НИС) нескольких десятков стран. Только в нашей стране несколько сот больших и малых НИС участвуют в программах исследования океана. С помощью НИС за 200 лет, прошедших с начала научных исследований в Мировом океане, обследованы все, даже самые отдаленные его уголки, и, казалось бы, океанологи могут быть довольны сложившейся ситуацией. Но, к сожалению, это пока не совсем так.
Даже такие большие флотилии НИС уже не могут удовлетворить современных потребностей науки. Дело в том, что площадь, которую занимает на земном шаре Мировой океан, огромна − около трех четвертей поверхности нашей планеты. Его площадь превышает 360 млн. км2, а за один рейс НИС длительностью несколько месяцев можно обследовать только весьма незначительную ее часть. В глобальном же масштабе любой НИС за конкретный небольшой отрезок времени проводит измерения только в одной точке. И если, даже используя несколько НИС, можно получить на какой-то обширной акватории десятки таких «точек», то «состыковать» их данные, полученные зачастую в разное время, бывает порой весьма затруднительно.
Как показал опыт обработки информации с первых метеорологических ИСЗ, в этом случае на помощь океанологам могут прийти космические методы, которые не только помогают связать в единую картину данные измерений на отдельных НИС, но в ряде случаев дают принципиально новую информацию об океане, недоступную для сбора традиционными методами.
По предварительным оценкам, информативность спутниковых систем исследования Земли такова, что она в ряде случаев намного выше традиционных контактных методов. Определение, например, температуры поверхности Мирового океана с использованием только одного океанологического ИСЗ эквивалентно синхронным измерениям на 20 000 НИС. Как показали уже первые эксперименты, наблюдения Мирового океана из космоса с помощью ИСЗ и ОКС имеют ряд принципиальных особенностей, делающих их весьма привлекательными для всех ученых, занятых исследованием океана.
Во-первых, при наблюдении Земли из космоса даже обычным невооруженным глазом или с помощью специальной аппаратуры можно буквально одним взглядом окинуть огромную площадь. Если при полете КА по низким околоземным орбитам одним взглядом можно окинуть площадь в несколько десятков или сотен тысяч квадратных километров, то по мере подъема высоты ИСЗ она существенно увеличивается и для орбиты высотой несколько десятков тысяч километров достигает уже почти половины поверхности земного шара, т. е. десятков миллионов квадратных километров.
Конечно, детали земной поверхности хорошо различимы только в подспутниковой точке (в надире) или вблизи нее, поскольку при наблюдении областей, лежащих у линии горизонта, очень велики геометрические искажения и резко возрастает мешающее наблюдениям влияние атмосферы. Но если даже ограничиться углами 45 − 60° относительно вертикали, то все равно наблюдаемые из космоса площади поверхности Земли будут достаточно велики. На рис. 1 приведен график зависимости наблюдаемой площади поверхности Земли от высоты положения наблюдателя.
libking.ru
А. А. Большаков, кандидат технических наук
КОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ОКЕАНОЛОГИИ
В последние годы в отечественной и зарубежной космонавтике все больший вес набирают программы дистанционного исследования Земли из космоса, с помощью автоматических искусственных спутников Земли (ИСЗ) и с борта пилотируемых орбитальных космических станций (ОКС). Разнообразная исследовательская аппаратура, установленная на советских и американских ИСЗ «Космос», «Метеор», «Нимбус», «НОАА», «Лэндсат» и др., на космических кораблях «Союз», «Джемини», «Аполлон», на ОКС «Салют» и «Скайлэб», позволила получить важную «космическую» информацию об облике нашей планеты, ее атмосфере, твердой поверхности и водной оболочке.
Значительная часть этих космических аппаратов (КА) предназначалась для нужд метеорологии, на борту многих других был установлен довольно универсальный комплекс исследовательской аппаратуры, предназначенный для изучения природных ресурсов Земли. Причем весьма многоплановая информация, получаемая с помощью подобных КА, частично использовалась метеорологами, частично − геологами, географами, гляциологами, представителями других наук о Земле и лишь незначительная часть информации применялась океанологами − специалистами в области исследования Мирового океана.
Этот, на первый взгляд, неожиданный факт можно объяснить тем, что для океанологов требуется в подавляющем большинстве случаев весьма специфичная информация, отличная от той, которая необходима специалистам, изучающим атмосферу или твердую оболочку Земли. Это обстоятельство, а также и всевозрастающая необходимость во всестороннем комплексном исследовании Мирового океана, потребности мореплавания послужили толчком к разработке новых методов дистанционных исследований и привели к созданию в СССР и США в конце 70-х годов специализированных океанологических ИСЗ, т. е. предназначенных только для исследования океана.
В рамках программы исследования Мирового океана из космоса в СССР были выведены на орбиты ИСЗ «Космос-1076» и «Космос-1151», а также созданные в сотрудничестве со специалистами ГДР, ВНР и ЧССР океанологические ИСЗ «Интеркосмос-20» и «Интеркосмос-21». В США в рамках программы исследования Мирового океана был выведен на орбиту ИСЗ «Сисат». Именно с запусками этих ИСЗ связано появление термина «космическая океанология», который в настоящее время стал широко распространенным и общеупотребимым.
О проблемах космической океанологии, об использовании космических методов и средств для исследования и освоения ресурсов Мирового океана и пойдет речь в данной брошюре.
ОСНОВЫ КОСМИЧЕСКОЙ ОКЕАНОЛОГИИ
За последние два-три десятилетия человечество все более пристальное внимание стало обращать на водную оболочку нашей планеты − Мировой океан. Причин этому много, и, по-видимому, одной из главных из них является настоятельная необходимость лучше познать сам океан, изучить происходящие в его глубинах и на поверхности процессы, подсчитать запасы минеральных и пищевых ресурсов и выяснить, как эффективнее использовать его в качестве транспортной магистрали. Сейчас, когда многие страны испытывают все более острый дефицит пищевого белка, когда истощаются ресурсы суши, когда на суше уже выработаны многие месторождения нефти и других полезных ископаемых, человечество возлагает все большие надежды на океан, на его богатства.
Программы исследования Мирового океана во всех развитых странах расширяются стремительными темпами. Просторы Мирового океана непрерывно бороздят научно-исследовательские суда (НИС) нескольких десятков стран. Только в нашей стране несколько сот больших и малых НИС участвуют в программах исследования океана. С помощью НИС за 200 лет, прошедших с начала научных исследований в Мировом океане, обследованы все, даже самые отдаленные его уголки, и, казалось бы, океанологи могут быть довольны сложившейся ситуацией. Но, к сожалению, это пока не совсем так.
Даже такие большие флотилии НИС уже не могут удовлетворить современных потребностей науки. Дело в том, что площадь, которую занимает на земном шаре Мировой океан, огромна − около трех четвертей поверхности нашей планеты. Его площадь превышает 360 млн. км2, а за один рейс НИС длительностью несколько месяцев можно обследовать только весьма незначительную ее часть. В глобальном же масштабе любой НИС за конкретный небольшой отрезок времени проводит измерения только в одной точке. И если, даже используя несколько НИС, можно получить на какой-то обширной акватории десятки таких «точек», то «состыковать» их данные, полученные зачастую в разное время, бывает порой весьма затруднительно.
Как показал опыт обработки информации с первых метеорологических ИСЗ, в этом случае на помощь океанологам могут прийти космические методы, которые не только помогают связать в единую картину данные измерений на отдельных НИС, но в ряде случаев дают принципиально новую информацию об океане, недоступную для сбора традиционными методами.
По предварительным оценкам, информативность спутниковых систем исследования Земли такова, что она в ряде случаев намного выше традиционных контактных методов. Определение, например, температуры поверхности Мирового океана с использованием только одного океанологического ИСЗ эквивалентно синхронным измерениям на 20 000 НИС. Как показали уже первые эксперименты, наблюдения Мирового океана из космоса с помощью ИСЗ и ОКС имеют ряд принципиальных особенностей, делающих их весьма привлекательными для всех ученых, занятых исследованием океана.
Во-первых, при наблюдении Земли из космоса даже обычным невооруженным глазом или с помощью специальной аппаратуры можно буквально одним взглядом окинуть огромную площадь. Если при полете КА по низким околоземным орбитам одним взглядом можно окинуть площадь в несколько десятков или сотен тысяч квадратных километров, то по мере подъема высоты ИСЗ она существенно увеличивается и для орбиты высотой несколько десятков тысяч километров достигает уже почти половины поверхности земного шара, т. е. десятков миллионов квадратных километров.
Конечно, детали земной поверхности хорошо различимы только в подспутниковой точке (в надире) или вблизи нее, поскольку при наблюдении областей, лежащих у линии горизонта, очень велики геометрические искажения и резко возрастает мешающее наблюдениям влияние атмосферы. Но если даже ограничиться углами 45 − 60° относительно вертикали, то все равно наблюдаемые из космоса площади поверхности Земли будут достаточно велики. На рис. 1 приведен график зависимости наблюдаемой площади поверхности Земли от высоты положения наблюдателя.
Особенно наглядно обзорность космических методов демонстрируют космические фотографии Земли, полученные с помощью КА, движущихся по высоким околоземным или лунным траекториям. В свое время в печати было опубликовано немало таких фотографий, выполненных с помощью советских КА «Молния» и «Зонд» и американских космических кораблей «Аполлон». И на многих из них отчетливо были видны крупные реки и озера, заливы, моря и континенты, целые океаны и даже крупнейший из них − Тихий океан. По-видимому, эти первые космические фотографии Земли привели океанологов к пониманию глобального характера многих проблем океанологии и дали мощный толчок разработке новых методов исследования Мирового океана.
Итак, подчеркнем еще раз: большая обзорность и информативность − одно из главных принципиальных отличий и достоинств космических методов изучения океана.
Во время движения ИСЗ по орбите проводится исследование поверхности Земли вдоль траектории полета, при этом информация от научных приборов может непрерывно или по заданной программе записываться на борту ИСЗ и передаваться на наземные пункты при пролете над ними. При запусках ИСЗ, предназначенных для исследования поверхности Земли и, в частности, Мирового океана, весьма серьезное внимание уделяется выбору параметров орбит ИСЗ, поскольку от этого зависит режим обзора тех или иных районов.
При выборе так называемых геосинхронных орбит обеспечивается регулярный пролет над одними и теми же районами Земли. Геосинхронные орбиты первого порядка обеспечивают ежесуточный пролет спутника над интересующими районами, а орбиты более высокого порядка обеспечивают двух-, трех- и более суточный цикл наблюдений. При создании космической системы, состоящей из нескольких геосинхронных спутников, интервалы наблюдений можно в соответствующее число раз уменьшить и добиться необходимой высокой периодичности получения информации.
Рис. 1. Зависимость сферического диаметра зоны видимости поверхности Земли от высоты положения наблюдателя
www.libfox.ru
