Космические методы в океанологии

В первых экспериментах по исследованию земных ресурсов использовались зональные светофильтры, имевшие максимумы пропускания света на длинах волн 480, 555, 600, 665, 730 и 840 нм. Ширина каждой съемочной зоны была довольно небольшой и не превышала 40 км. Кривые спектральной чувствительности всех съемочных диапазонов фотоаппарата МКФ-6 приведены на рис. 4. При съемке с высоты 250 км каждый снимок охватывает поверхность Земли площадью 115 × 165 км с разрешением на местности порядка 10 − 20 м. В аппарате МКФ-6 используются различные типы фотоматериалов и для их фотометрической калибровки в каждый кадр в момент съемки впечатывается фотометрический клин.

Первые летные испытания фотоаппарата МКФ-6 были проведены в 1976 г. при полете космического корабля «Союз-22» в рамках эксперимента «Радуга», а в настоящее время этот аппарат устанавливается уже в качестве штатного на всех ОКС типа «Салют».

Рис. 4. Кривые спектральной чувствительности съемочных диапазонов фотоаппарата МКФ-6

Анализ и интерпретация фотоизображений Мирового океана, полученных в отдельных зонах, производится с использованием четырехзонального проектора МСП-4, с помощью которого осуществляется проекция на специальный экран увеличенных совмещенных изображений. При этом изображение на экране МСП-4 можно получить в реальных или условных цветах.

Использование многозональных принципов фотосъемки Мирового океана позволяет регистрировать довольно тонкие вариации цвета океанской поверхности и решать, в частности, задачу изучения распределения зон повышенной биопродуктивности океана в масштабах всей Земли. Естественно, для решения этих задач многозональные космические фотоаппараты должны иметь высокие абсолютные (до 15 − 20 %) и относительные (до 3 − 5 %) точности фотометрических измерений, что вполне достижимо при современном развитии этого направления.

Однако при всех своих достоинствах фотографические методы исследования Земли из космоса имеют один существенный недостаток, связанный с необходимостью доставки экспонированных фотоматериалов на Землю для их последующей обработки. Особенно это касается методов исследования Мирового океана, которые из-за быстрой изменчивости протекающих в нем процессов должны иметь высокую оперативность и периодичность поступления информации.

Для решения многих задач океанологии и, что особенно важно, для прогноза тех или иных явлений в Мировом океане океанологам необходимо получать информацию с запаздыванием не более нескольких часов и с периодичностью до нескольких раз в сутки. Естественно, в этом случае фотографические методы помочь океанологам не могут и данная проблема может быть решена только с использованием телевизионных систем.

Первые телевизионные изображения поверхности Земли из космоса были получены еще в начале 60-х годов, при запусках первых метеорологических ИСЗ. Хотя эти изображения имели низкое пространственное (порядка 1 − 2 км) и спектральное (8 − 16 градаций интегральной яркости в области спектра 500 − 800 нм) разрешение, они позволяли определять участки Мирового океана, покрытые льдом, выделять мелководные участки, изучать крупные океанские течения и т. д.

Наиболее широкое распространение за прошедшие годы получили так называемые телевизионные системы с механическим сканированием луча. В такой системе (рис. 5) развертка изображения поверхности Земли вдоль трассы полета ИСЗ осуществляется за счет движения самого ИСЗ, а в поперечном направлении − за счет качания приемной телевизионной трубки или специального зеркала.

Пространственное разрешение в этой телевизионной системе определяется мгновенным полем зрения оптической системы, а спектральное − характеристиками разделительных фильтров и чувствительностью приемников излучения. Ширина полосы обзора зависит от высоты полета ИСЗ и угла качания поворотного зеркала. Информация с телевизионной системы может передаваться на Землю в реальном масштабе времени или записываться на бортовом магнитофоне для ретрансляции в подходящий момент при пролете ИСЗ над пунктом связи.

В начале 70-х годов появились многоканальные космические сканирующие системы, имеющие пространственное разрешение лучше 100 м и спектральное разрешение − лучше 100 нм. С помощью этих приборов можно уже получать информацию, сопоставимую по своим фотометрическим и другим характеристикам с информацией фотографических систем.

Телевизионные изображения поверхности Земли, переданные, например, ИСЗ «Лэндсат», имели пространственное разрешение около 70 м при площади кадра 185 × 185 км. Электромеханическая сканирующая телевизионная система этого ИСЗ производила синхронную съемку поверхности Земли в четырех зонах видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра (в зонах длин волн 0,5 − 0,6; 0,6 − 0,7; 0,7 − 0,8 и 0,8 − 1,1 мкм), что позволяло после соответствующей обработки на ЭВМ получать изображения подстилающей поверхности в так называемых условных цветах с хорошей цветовой градацией различных природных образований.

С помощью этой системы можно было уже решать значительно более широкий круг океанологических задач. В специальной научной литературе приведены данные о том, что на некоторых изображениях, переданных ИСЗ «Лэндсат», определены районы Мирового океана, загрязненные нефтепродуктами и отходами промышленных предприятий, обнаружены неизвестные ранее районы повышенной биопродуктивности, выделены мелководные участки, зоны смешения речных и морских вод, обнаружены следы внутренних волн и т. д.

Рис 5. Принцип работы многозональной телевизионной сканирующей системы: 1 − качающееся зеркало, 2 − зеркальный объектив, 3 − светофильтры, 4 − приемники излучения

При этом можно отметить, что съемка в коротковолновом диапазоне (0,5 − 0,6 мкм), где поглощение света в океанской воде минимально, позволяет наилучшим образом решать задачу изучения подводного рельефа и биопродуктивности вод, а съемка в длинноволновых диапазонах (0,7 − 0,8 и 0,8 − 1,1 мкм) − более отчетливо выделять поверхностные эффекты. Наконец, совместная обработка данных коротковолновых и длинноволновых диапазонов способствует эффективному обнаружению поверхности океана, загрязненной нефтепродуктами.

К достоинствам космических телевизионных систем относится также и возможность простого ввода информации в ЭВМ, где она может быть обработана (по довольно сложным алгоритмам) для устранения геометрических, фотометрических и других искажений. При обработке видеоинформации на ЭВМ можно получить окончательные результаты в любой картографической проекции с использованием данных произвольного числа спектральных зон, что значительно повышает информативность данных дистанционного зондирования.

С применением космической фото- и телеинформации удалось уже решить ряд интересных задач океанологии. Одной из них является, например, задача обнаружения и исследования динамики упомянутых выше внутренних волн. Эти волны возникают в океане на глубинах несколько десятков метров, там, где происходит изменение плотности глубинных слоев воды. Внутренние волны определяют прохождение звука в толще океанских вод, безопасность плавания подводных судов. Как считают многие специалисты, внутренние волны явились причиной гибели несколько лет назад американской атомной подводной лодки «Трэшер».

Изучение этих волн традиционными контактными методами требует больших затрат времени и привлечения многих НИС. На космических же фотографиях они иногда непосредственно видны и можно измерить их некоторые параметры. Внутренние волны развиваются в глубинах океана и непосредственно на поверхности не наблюдаются, но ряд связанных с ними специфических явлений позволяет обнаруживать их на космических фотографиях. Можно назвать по крайне мере три характерных вида взаимодействия внутренних волн с поверхностным слоем океана, которые делают их видимыми.