Спутник изучает океан

Спутник изучает океан

«Наука всегда продвигается вперед рывками. Ее передний край в каких-то точках разрывается узкими стрелами блестящих открытий, подчас далеко опережающих общий фронт научных поисков. «Точками роста» назвал их однажды выдающийся советский ученый А. Н. Несмеянов. По его мнению, эти «точки роста» проявляются там, где происходит взаимопроникновение наук.

Подобная картина наблюдается ныне на стыке наук об океане и космосе. Именно эти две среды стали теми природными лабораториями для постановки уникальных экспериментов и исследований, в ходе которых выявляются новые фундаментальные закономерности превращения материи, развития окружающей нас природы, воздействия Солнца, Луны, космических лучей на жизнь человека».

Эти слова президента АН СССР академика Г, И. Марчука объясняют, почему советские ученые в последние годы делают упор на расширение использования космических объектов для изучения океана. Теперь к традиционным средствам изучения: НИС, буйковым станциям, морским платформам и пр. добавились искусственные спутники Земли (ИСЗ).

Первые два десятка космических снимков земной поверхности и океана были сделаны еще летчиком-космонавтом СССР Германом Степановичем Титовым во время его суточного орбитального полета на корабле «Восток-2» 6–7 августа 1961 г. В последующем серьезные исследования океана из космоса велись с использованием автоматических ИСЗ серии «Космос», «Интеркосмос» и «Метеор», с борта пилотируемых орбитальных станций «Салют».

Можно сказать, что сейчас формируется новая наука – космическая океанология, которая базируется на бурно развивающихся в последнее время дистанционных методах измерения океанологических параметров.

Использование в качестве носителей исследовательской аппаратуры дистанционного изучения океана ИСЗ позволяет поднять исследования на новую качественную ступень, обеспечив быстрый обзор значительных площадей акваторий океанов и морей, большую продолжительность исследований, их качественно новую степень масштабности по сравнению с исследованиями с борта НИС.

Немаловажное значение имеет относительная дешевизна получения информации об океане с борта ИСЗ (если расходы подсчитать на единицу исследуемой площади). Вместе с тем результаты использования ИСЗ для этих целей в нашей стране и в США свидетельствуют о принципиальной и практической возможности обеспечения необходимой точности измерения океанологических параметров.

Какие же параметры измеряют дистанционно с космической орбиты? В первую очередь фиксируется все, что касается глобальной топографии поверхности океанов и морей, состояния водной поверхности, морских течений, параметров и направления распространения волн, температуры водной поверхности и радиационного баланса на ней.

Ряд ученых высказывают вполне обоснованные предположения, что в недалеком будущем удастся, регистрируя из космоса определенные характеристики поверхности океана, получать представление и о его глубинных структурах, так как между ними существуют непосредственные связи (пока еще не вполне ясные и установленные).

Один из основоположников спутниковой океанологии в СССР академик АН УССР Б. А. Нелепо так охарактеризовал методы этого нового научного направления: «Методы космической океанографии в своей основе – это методы крупномасштабных исследований, позволяющие осуществить оперативный обзор обширных акваторий, дающие общее представление о динамике происходящих процессов и поверхностном слое океана, а также получать количественные оценки гидрофизических параметров в высокоградиентных (высококонтрастных) зонах».

Спутниковая океанология сейчас делает как бы первые шаги, но в ближайшие 20–25 лет она, вероятно, станет существенным источником сведений об океане. В первую очередь это касается измерений из космоса характеристик процессов, отражающихся на поверхности океана: температуры водной поверхности, топографии теплых и холодных поверхностных течений, крупномасштабных изменений уровня океана, характеристик морского волнения, концентрации в поверхностных слоях мельчайших водорослей – фитопланктона, характеристик поверхностных пленок различного происхождения.

Фиксация из космоса характеристик поверхностных пленок поможет не только контролировать степень загрязненности океанских вод, но и прогнозировать размещение перспективных районов промысла. Установлено, что в местах сосредоточения косяков рыбы на поверхности океана появляются поверхностно-активные пленки, изменяющие состав спектрального излучения морской поверхности. Следовательно, научившись надежно фиксировать и идентифицировать эти изменения, можно отработать методику определения мест скопления рыбы.

Вот еще характерный пример использования спутниковой океанологической информации по поверхностным характеристикам океанских вод. Установлено, что характер распределения и изменения температуры верхнего слоя океана во многом определяет изменения погоды. При этом, учитывая большую теплоемкость воды по сравнению с теплоемкостью воздуха, охлаждение всего на 0,1 °C двухсотметрового слоя морской воды может вызвать нагревание атмосферы над ним до 8 °C, что является очень значительным повышением.

В последние годы президентом АН СССР академиком Г. И. Марчуком была высказана гипотеза о том, что формирование погоды над европейской частью СССР во многом зависит от состояния океана в так называемых «зонах влияния» Атлантического океана, расположенных у берегов Центральной Америки и юго-восточных берегов США. Важнейшей характеристикой этого состояния является отличие температуры верхнего слоя океана от средних обычных значений для данного периода года. Упрощая, можно сказать, что аномалии температурного режима в «зонах влияния» проявляются с запаздыванием в 5–6 месяцев в аномалиях погоды в районах, удаленных на тысячи километров от этих зон.

Например, считается, что памятное многим лето 1972 г. было необычайно знойным на европейской территории СССР из-за того, что температура воды в Северной Атлантике, включая Норвежское и Баренцево моря, поднялась выше нормы.

Идеи академика Г. И. Марчука о наличии в океане особых, более активных в своем взаимодействии с атмосферой районов уже получили развитие в советской национальной программе «Разрезы». Планируется, что экспедиционные исследования по программе, начатые в 1981 г., продлятся не менее 10 лет. В мировой практике такой объемной программы, видимо, еще не было. Теоретические разработки по исследованиям в энергоактивных зонах океана получают серьезное подтверждение по результатам первых лет выполнения программы «Разрезы». Ученые пришли к выводу, что следует постоянно измерять уровень океана со спутников. Располагая такими данными, возможно узнать и изменение теплосодержания океана – фактический запас тепла. В настоящее время ученые большинства стран изучают эту проблему, моделируют ее.

Значит, опять мы приходим к необходимости широкого использования ИСЗ для замера на огромных просторах океана полей температуры и аномалий уровня. Ряд ученых считают, что именно спутниковые наблюдения позволят собрать необходимые данные для разработки математических моделей, которые дадут возможность надежно просчитывать на мощных ЭВМ краткосрочные прогнозы погоды.

Для того чтобы показать, какая это непростая задача – проводить измерения физических параметров водных масс с ИСЗ, – расскажем о проблеме «скин-слоя».

Оказывается, что определенную дистанционно с борта ИCЗ с помощью инфракрасных радиометрических измерений температуру поверхности океана нельзя отождествлять с температурой однородного поверхностного слоя воды. Природа и здесь показала свою сложность и изощренность.

У поверхности океана почти всегда расположен так называемый холодный «скин-слой» толщиной несколько миллиметров. Натурные эксперименты показали, что перепад температуры 0,4–2,0 °C может быть сосредоточен в пределах 1 мм, и холодная пленка сохраняется при ветре до 10 м/с (до 5 баллов). Выяснилось, что, несмотря на многие причины, вызывающие разрушение «скин-слоя», восстановление его происходит сравнительно быстро.

Свойства «скин-слоя» довольно причудливы. Например, «скин-слой» в известном смысле оптически прозрачен для падающей солнечной радиации. А вот затраты на испарение и ряд других физических процессов «скин-слой» может изменять на 10–15 %. Выяснено, что температура «скин-слоя» существенно влияет на характеристики процессов взаимодействия океана и атмосферы.

Из всего этого вырисовывается вывод: необходимо проведение серьезных и длительных исследований, чтобы досконально изучить этот таинственный «скин-слой» инаучиться однозначно определять температуру поверхностного слоя в океане, выяснив температуру «скин-слоя» по измерениям из космоса.

За последние годы изучение океана из космоса продвинулось существенно вперед. Запуск океанографических ИСЗ «Космос-1076» и «Космос-1151», запущенных соответственно 12 ноября 1979 г. и 23 января 3980 г., преследовал цель отработать методику определения температуры водной поверхности, интенсивности волнения и силы ветра, характеристик ледяного покрова, влажности атмосферы, интенсивности осадков, а также определения оптических характеристик водных масс по виду спектра излучения, отраженного от водной поверхности.

На одном из метеорологических ИСЗ «Метеор» установлено оптико-механическое сканирующее, устройство, позволяющее наблюдать и фиксировать крупномасштабные вихри в атмосфере и океане, изменения их формы и направления движения, что необходимо знать для определения влияния системы океан – атмосфера на колебания погоды.

Спутниковые снимки шельфовых районов, для которых характерно существенное воздействие стока рек, используются для того, чтобы по контрастам фототона из-за различий в оптических характеристиках морских и речных вод определять концентрацию органических и минеральных взвесей, что прямо связано с уровнем биологической продуктивности этих водных акваторий.

Космические снимки помогли даже обнаружить древнее русло Волги. Оказалось, что, когда на месте Каспийского, Азовского и Черного морей, а также современного Предкавказья была акватория древнего моря, устье Волги располагалось севернее г. Грозного, столицы Чечено-Ингушской АССР. Постепенно река смещалась на восток. В далекие геологические времена, когда Каспийское море отделилось от Мирового океана, Волга несла свои воды в него с запада. С годами дельта Волги смещалась на север, а ее русло – на восток, пока они не заняли нынешнего положения. Космические снимки дали и практическую пользу, так как древнее русло Волги перспективно в части поиска пресных подземных вод. Наивно было бы думать, что использование для изучения океана ИСЗ может заменить работу многочисленных НИС. До этого еще очень далеко. В течение значительного периода времени НИС останутся основным и незаменимым научным инструментом в океанологии. Тем более нужны будут суда космической службы для управления полетами спутников.

Более 20 лет назад во многих зарубежных газетах были напечатаны сенсационные сообщения о появлении на просторах Атлантического океана нового необычного советского судна с тремя огромными шарами, установленными на надстройках.

Некоторые недобросовестные иностранные журналисты опубликовали небылицы, в которых пугали обывателей появлением в океане сверхсекретного советского судна-«шпиона». Однако у лжи оказалась короткая жизнь. Вскоре действительность разоблачила антисоветские измышления наших недругов.

Во время стоянок в иностранных портах на новом НИС АН СССР «Космонавт Владимир Комаров» (так называлось «таинственное» судно с шарами) побывали тысячи посетителей. Им была предоставлена возможность познакомиться с судном и оборудованием, а также дана исчерпывающая информация о его назначении. В частности, любознательные посетители убедились, что загадочные шары служат всего лишь прикрытием от непогоды зеркал антенн, направленных в космическое пространство.

Сейчас к судам космической службы АН СССР, регулярно посещающим для пополнения судовых запасов и отдыха экипажей многие порты мира, уже привыкли, и их необычный облик не вызывает ненужных кривотолков.

НИС космической службы – детища космического века. Они выполняют роль измерительных пунктов, предназначенных для контроля и управления полетом спутников и межпланетных станций. Наша страна велика и необъятна. Но даже обширной территории нашей страны недостаточно, чтобы обеспечить непрерывный контроль за космическими полетами. Для этого необходимо разместить измерительные пункты за пределами нашей Родины.

Эту роль выполняют суда космической службы – подвижные измерительные пункты. Их главное преимущество перед наземными пунктами – возможность перехода в любую точку Мирового океана, наиболее выгодную для обеспечения контроля и управления полетом. 14 июля 1971 г. явилось знаменательным днем в истории свершения советской космической программы. В этот день был поднят Государственный флаг СССР на флагмане научного флота космической службы, самом крупном НИС в мире «Космонавт Юрий Гагарин».

При разработке проекта этого НИС в его основу конструкторы положили корпус и ЭУ серийного танкера, неплохо зарекомендовавшего себя в эксплуатации. Постройка судна началась на стапеле одного из ленинградских судостроительных заводов в марте 1969 г., и уже в октябре того же года судно спустили на воду.

Строительство продолжалось немногим более двух лет, а 16 июля 1971 г. судно ушло из Ленинграда в порт приписки Одессу. В декабре того же года НИС вышло в свой первый длительный экспедиционный рейс в Атлантический океан.

По своим размерам (длина 232 м), конструкции, оснащению космическими системами и исследовательским возможностям судно не имеет себе равных в мире.

Комплекс космического научно-технического оборудования, установленный на судне, обеспечивает одновременную работу с двумя космическими объектами и способен передавать на них команды, производить траекторные измерения, принимать телеметрическую, научную информацию и телевизионные изображения, обеспечивать двухстороннюю телефонно-телеграфную связь с космонавтами.

Для управления космическими объектами судно оборудовано уникальной системой приема и передачи радиосигналов. Основу ее составляют остронаправленные приемные и передающие антенны, мощные радиопередатчики и высокочувствительные радиоприемники со входными параметрическими усилителями, охлаждаемыми жидким азотом.

Характерной архитектурной деталью внешнего облика судна являются четыре главные параболические антенны, установленные на мощных барбетах.

Если считать от носа, то вторая, третья и четвертая главные антенны входят в состав космической командно-измерительной системы. Через них ведется передача и прием радиосигналов в различных диапазонах радиоволн. Третья и четвертая антенны имеют диаметр зеркал 25 м, а вторая – 12 м. Носовая первая 12-метровая антенна предназначена для связи через спутники-ретрансляторы «Молния» с Центром управления космическими полетами.

Система управления антеннами обеспечивает автоматическое сопровождение космических объектов по приходящим радиосигналам и наведение по заранее рассчитанной программе. Система так надежно спроектирована, что может работать при штормовом ветре до 9 баллов и сильном волнении моря.

Все параболические антенны снабжены трехосной системой стабилизации, компенсирующей качку корабля. Эта система учитывает даже прогиб корпуса судна да волнение. Углы изгиба корпуса в диаметральной плоскости ватерлинии (с точностью до 40 угловых секунд) поступают в систему стабилизации от специальных датчиков. Вот какая необходима точность, чтобы обеспечить надежную связь с космическими объектами.

Обычно измерение деформации судового корпуса производит луч света или даже луч лазера. Для этого в подпалубном пространстве прокладывают трубу – световой канал. Если изгиба корпуса нет, то луч в конце светового канала попадает в центр мишени из светочувствительных элементов. При изгибе корпуса на волнении луч смещается от центра мишени, и за счет этого сигнал, пропорциональный смещению луча, поступает в систему стабилизации и управления антеннами.

Система крепления, управления и стабилизации антенн, установленная на судне, уникальна. Ведь масса 25-метровой антенны составляет 240 т, а 12-метровой – 180 т. Да и площадь антенн велика. Четыре главных параболических зеркала антенн имеют общую площадь 1220 м ², так что при развороте их на борт (что является характерным положением при начале сеанса связи с космосом) они обладают значительной парусностью и воспринимают большие ветровые нагрузки.

Само наличие на палубе и надстройках таких крупных антенных устройств, которых не имеет ни одно НИС в мире, поставило перед конструкторами сложную задачу по обеспечению остойчивости судна. Ведь масса четырех главных космических антенн вместе с фундаментами составляет 1000 т, и размещены они на уровнях, высота которых от ватерлинии равна высоте 5– и 8– этажного дома. А центры тяжести больших зеркал антенн находятся на высоте от ватерлинии, соответствующей высоте 12-этажного дома. Но конструкторы отлично справились со своей задачей: остойчивость НИС «Космонавт Юрий Гагарин» позволяет ему плавать при самом бурном состоянии моря.

С помощью автоматизированного комплекса системы местоопределения удается надежно привязать к географическим координатам точки в Мировом океане, в которых проводятся сеансы связи с космическими объектами. Данные астрономических наблюдений в виде радиооптических сигналов автоматически вводятся в ЭВМ. Туда же поступают преобразованные сигналы от навигационных спутников. Гироскопические приборы с точностью до нескольких угловых минут передают в ЭВМ сведения о курсе судна, бортовой и килевой качке и рыскании. Скорость судна относительно воды и морского дна замеряется индукционными и гидроакустическими лагами. Специальные приборы измеряют скорость перемещения судна при качке на волнении, что необходимо для учета поправок при траекторных измерениях скорости космических аппаратов. ЭВМ, обрабатывая все поступившие данные, вырабатывает и выдает текущие координаты места судна. Только при учете всех перечисленных величин возможно достичь точности определения места судна в океане, необходимой для обеспечения устойчивой связи с ИСЗ и межпланетными станциями.

В последующие годы строительство новых судов космической службы продолжалось. В 1977–1979 гг. вошла в состав флота космической службы серия малых судов: «Космонавт Владислав Волков», «Космонавт Георгин Добровольский», «Космонавт Виктор Пацаев», «Космонавт Павел Беляев». Как видим, эти суда названы в память погибших космонавтов.

Вообще-то эти суда водоизмещением 8950 т совсем не малые. А названы они так потому, что перед ними поставлены более ограниченные задачи, чем перед судами, о которых рассказано ранее. Ясно одно: значение всех судов космической службы в обеспечении советской космической программы исключительно велико.

Вполне понятно, что управлять работой ИСЗ совсем не просто, для этого необходимы солидные технические средства не только на материке, но и в океане. Но с получением на Земле спутниковой океанологической информации трудности с ее использованием только начинаются. Очень сложно эту информацию правильно расшифровать, нелегко научиться однозначно ее прочитывать.

В связи с этим дважды Герой Советского Союза космонавт Георгий Михайлович Гречко привел любопытный пример: «Когда снимок акватории у Фолклендских (Мальвинских) островов (сделанный им с борта станции «Салют-6» в 1978 г.) впервые обсуждался в одном из институтов, то произошел следующий разговор между специалистами. Один из них, указывая на светло-зеленое пятно, заявил, что это, безусловно, планктон и там могут находиться косяки рыб.

Другой сказал, что на фото изображена область распространения синезеленых водорослей, которые рыба не ест, а потому никакого скопления жаброхвостых там быть не может.

Третий выразил уверенность, что это область особого рода волнения воды, которая с космической высоты воспринимается как зеленая, а на самом деле ничем не отличается от соседних. Три разных мнения, и такие противоречивые. Только реальные сведения, добытые непосредственно на местности, помогли бы разрешить этот спор или сделать его вообще ненужным. Вывод: без взаимодействия с надводными и подводными исследованиями эффективность космических экспериментов в области океанологии едва ли может быть высокой».

Поэтому так важна работа на контрольно-калибровочных полигонах, где отрабатывается методика дистанционного зондирования и идентификации физических образований в океане и их параметров. На таких полигонах одновременно производится замер океанологических параметров со спутников, самолетов, НИС. Затем полученные данные сравниваются, изучаются и расшифровываются космические снимки, сделанные с ИСЗ, определяются погрешности спутниковой аппаратуры и точность замеров океанологических параметров.

Примером таких полигонных исследований является проведенный в нашей стране осенью 1983 г. эксперимент «Интеркосмос – Черное море». В ходе эксперимента наблюдения за водной поверхностью велись одновременно с автоматического ИСЗ «Метеор», с орбитальной станции «Салют-7», с борта самолета-лаборатории Ан-30, НИС «Профессор Колесников» и «Комета-637», со стационарной океанологической платформы.

В августе 1984 г. подобный эксперимент был повторен, причем отрабатывались именно методические задачи по дистанционному определению характеристик водной поверхности. Съемки отдельных участков акватории вновь велись одновременно со станции «Салют-7», специализированного геофизического спутника «Космос-1500», самолетов-лабораторий, с борта НИС «Михаил Ломоносов» и «Профессор Колесников». Это был международный эксперимент, в подготовке и проведении которого наряду с учеными СССР приняли участие специалисты Болгарии, ГДР, Польши.

Впервые в отечественной практике подобные крупномасштабные и долговременные эксперименты были проведены с участием ИСЗ «Космос-1500», «Космос-1602», «Интеркосмос-20», «Интеркосмос-21», орбитальной станции «Салют-7» и целой группы НИС. Целью эксперимента было создание научно-технических основ глобальной системы наблюдения и контроля за состоянием океана в интересах службы погоды, а также в интересах промыслового и торгового флота СССР.

Во время комплексной съемки Каспийского моря в августе 1986 г. подобные подспутниковые исследования проведены в районе специального полигона на границе Северного и Среднего Каспия. Впервые на Каспийском море с борта НИС «Акватория» осуществлялись синхронные наблюдения совместно со спутником «Метеор», самолетом-лабораторией Ту-134, оснащенным сканером высокого разрешения.

В июле 1987 г. океанологические съемки на Каспийском полигоне были повторены, причем к ним подключились орбитальная станция «Мир», самолеты-лаборатории Ту-134 и Ан-30, вертолет Ми-8, а также информационные системы ИСЗ серий NOAA, «Метеор», «Ресурс».

Проведение комплекса океанологических наблюдений на разных высотных уровнях позволило продвинуть вперед отработку методики использования дистанционных спутниковых измерений для исследования поверхностного слоя моря. Безусловно, работы на подспутниковых полигонах с участием в первую очередь НИС будут проводиться интенсивно и впредь.