А. А. Большаков, кандидат технических наук

КОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ОКЕАНОЛОГИИ

ВВЕДЕНИЕ

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

Однако строго геосинхронные орбиты не совсем выгодны для построения космической системы исследования Земли. ИСЗ на таких орбитах проходят все время над одними и теми же районами Земли, в то время как другие районы могут выпасть из их поля зрения. Поэтому на практике многие ИСЗ, предназначенные для исследования Земли, выводят на квазигеосинхронные орбиты, на которых ИСЗ каждые новые сутки проходят над новыми районами Земли и обеспечивают, таким образом, систематический последовательный обзор всей поверхности Земли.

Постоянство временных условий наблюдения Мирового океана можно обеспечить при использовании для океанологических ИСЗ солнечно-синхронных орбит. На таких орбитах ИСЗ пролетают над одними и теми же районами всегда в одно и то же местное время, что позволяет проводить исследования при неизменных условиях освещения поверхности Земли Солнцем. Для обеспечения полного обзора всей поверхности Мирового океана ИСЗ должен выводиться на орбиту с большим углом наклонения ее плоскости к плоскости экватора. Солнечно-синхронные околоземные орбиты имеют наклонения в диапазоне от 95 до 100°, что позволяет при их использовании исследовать и околополярные области Земли.