Глаза космических китов: история возникновения спутниковой океанографии

Около 71% земной поверхности покрыто водой, львиную долю которой составляют именно океаны. Это огромное изменчивое пространство нашей планеты до сих пор слабо исследовано. Стоит понимать, что океаны — не просто необъятная масса воды. Глобальные экосистемы регулируют земной климат, поддерживают биоразнообразие и в целом крайне важны для всего живого на Земле.

С целью тщательно исследовать сложные процессы, кроющиеся за образованием и эволюцией океанов, человечество решило не только погрузиться в их глубины, но и попытаться постичь их сверху. Именно так на орбите появились мониторинговые спутники и даже целые спутниковые группировки, которые в настоящее время служат незаменимым инструментом для океанографических исследований.

Первые шаги: исследовательский инструментарий Skylab

Начало 1970-х годов стало отправной точкой для орбитальных программ, посвященных изучению океанов. До этого лишь несколько спутниковых аппаратов (и то довольно косвенно) выполняли функцию океанических исследователей. Так, советский спутник «Космос-243» (запущен в 1968 году) и «Космос-384» (1970-й) были оснащены микроволновыми радиометрами, позволяющими им с орбиты измерять температуру поверхности моря и скорость ветра. Но этого было недостаточно для полноценного наблюдения за основными параметрами мирового океана.

Потому до начала 1970-х годов океанография ограничивалась данными, полученными преимущественно с кораблей и самолетов. Океанографические исследования с помощью кораблей накладывали большие ограничения, ведь суда двигались очень медленно и за один рейс могли охватить относительно небольшие участки океанической поверхности. Самолеты здесь были более практичным инструментом и использовались для исследований почти со старта авиационной эры в начале ХХ века. Разведывательные летательные аппараты предоставляли аэрофотоснимки прибрежных зон и проводили дистанционное зондирование инфракрасными и микроволновыми радиометрами. С одной стороны, океанографическая авиация могла получать достаточно детализированные снимки поверхности океана, ведь летала на относительно низких (по сравнению с орбитальными) высотах. С другой, именно это преимущество и ограничивало океанографическую авиацию — в силу неспособности обеспечить глобальный охват планетарных масштабов. Более того, ее работоспособность всегда зависела от погодных условий.

Для того чтобы получить комплексное глобальное представление об океанах как единой динамической системе, в NASA предложили следовать другим путем: осмотреть океаническую поверхность с высоты земной орбиты. Первым аппаратом, оснащенным оборудованием для океанографических исследований, стала американская орбитальная станция Skylab, выведенная в космос 14 мая 1973 года.

Несмотря на то, что Skylab не была спроектирована специально для спутниковой океанографии, именно она сыграла значительную роль в исследовании масштабных водных участков. Астронавты на ее борту осуществляли визуальные наблюдения и фотографировали Землю, включая океаны. В арсенале экипажа станции были как ручные камеры типа Hasselblad, так и профессиональные исследовательские инструменты из набора специализированного оборудования для наблюдения за Землей (Earth Resources Experiment Package, EREP). 

EREP был передовым для своего времени набором измерительных инструментов и содержал сразу шесть основных приборов для всестороннего наблюдения за земной поверхностью. В частности, в его состав входили:

1. Мультиспектральная камера типа S190A — система из шести идентичных камер, которые одновременно снимали поверхность, используя каждая свой собственный узкий фильтр. Такой подход позволял проводить съемку в шести различных спектральных диапазонах (от видимого до ближнего инфракрасного света).
2. Камера высокого разрешения S190B, оснащенная длиннофокусным объективом, делала очень детализированные изображения поверхности Земли. Исходя из задач океанографии, это помогало детально изучать прибрежные зоны, динамику дрейфа льда, вихревые течения вблизи берега и тому подобное.
3. Инфракрасный спектрометр S191, нацеленный на определение интенсивности излучения, поступающего с Земли, в двух ключевых диапазонах: коротковолновом и тепловом инфракрасном. Основная задача заключалась в точном измерении температуры поверхности (как суши, так и воды), а также в анализе состава земной атмосферы.
4. Мультиспектральный сканер S192 работал сразу в 13 узких спектральных каналах, от видимого до инфракрасного диапазона. Прибор был уникальным изобретением для своего времени, поскольку собирал данные в цифровом формате, что позволило применять компьютерный анализ для автоматизированной классификации и изучения земного рельефа и ресурсов.
5. Микроволновый радиометр/скаттерометр/высотомер S193. В океанографии прибор использовался для измерения высоты морской поверхности и картографирования течений и волн, определения температуры поверхности воды, а также скорости и направления ветра над водой.
6. L-диапазонный радиометр S194 — пассивный микроволновый инструмент, работавший на относительно большой длине волны (L-диапазон). Он проектировался для экспериментального изучения возможности дистанционного зондирования таких параметров, как влажность почвы на суше, а также соленость воды.

За 171 сутки эксплуатации Skylab, с 1973 до 1974 года, станцию последовательно посетили три ротации экипажа. Они сделали с помощью EREP около 350 000 снимков земной поверхности, в том числе и океанов. Полученные с высоты почти 435 км над Землей фотографии стали первым документальным свидетельством глобальных динамических процессов, происходивших в океане. За это время астронавты зафиксировали мощные океанические течения и вихревые потоки, распространение крупных скоплений фитопланктона, движение айсбергов и дрейф морского льда в полярных регионах. К тому же определили основные механизмы взаимодействия земной атмосферы с океаническими водами.

Впрочем, Skylab была лишь предвестником полноценного океанографического спутника, который вывели на орбиту только в конце 1970-х годов.

Seasat-1: первый SAR-спутник мира и пионер космической океанографии

27 июня 1978 года NASA запустило Seasat-1, который стал первым спутником, полностью сосредоточенным на исследованиях океана. Неважно, что космическая миссия Seasat-1 длилась всего 99 дней и преждевременно завершилась из-за технической неисправности, именно она навсегда изменила представление о возможностях, которые предлагает спутниковая океанография. Seasat-1 доказал, что спутники могут поставлять данные высокого качества для прогнозирования погоды, изучения климата, мониторинга судоходства, и главное — уровня мирового океана.

Космический аппарат был разработан Лабораторией реактивного движения при NASA. Стоимость проекта составила ≈$85 млн, что было очень амбициозным бюджетом в 1970-е годы. Предварительный план миссии предполагал, что космический аппарат будет работать на орбите в течение 3-5 лет. В арсенале Seasat-1 имелось пять научных приборов, предназначенных исключительно для океанографических исследований:

1. Радиолокационный высотомер (Radar Altimeter) — отслеживал время, за которое радиоимпульс, выпущенный со спутника, достигал поверхности океана и возвращался обратно. Такой подход позволял с очень высокой точностью определять высоту морской поверхности. В дальнейшем, с развитием океанографических спутников, именно радиолокационные высотомеры останутся актуальными и точными приборами для измерения уровня океана.
2. Сканирующий многоканальный микроволновый радиометр (Scanning Multichannel Microwave Radiometer, SMMR). Этот пассивный инструмент собирал микроволновое излучение, исходящее от поверхности океана. С его помощью можно было довольно точно определять температуру поверхности воды, скорость ветра, содержание водяного пара в атмосфере и даже количество жидкой воды в облаках.
3. Микроволновый скаттерометр (Microwave Scatterometer) — измерял отражение микроволновых импульсов от поверхности воды. Шероховатость водной поверхности, которую вызывает ветер, влияет на характер отраженного сигнала. Поэтому, анализируя его, ученые рассчитывают скорость и направление ветра над океаном, что критически важно для прогнозирования штормов.
4. Радар с синтезированной апертурой (Synthetic Aperture Radar, SAR) — самый инновационный прибор на борту Seasat-1 и первый подобный радар из когда-либо установленных на спутник. SAR предоставлял качественные изображения поверхности океана с высоким разрешением, независимо от погодных условий или солнечного света, поэтому был чрезвычайно эффективным для наблюдения за морским льдом, волнами, а также для обнаружения кораблей.
5. Лазерный отражатель (Laser Retroreflector) — использовался для точного отслеживания орбиты спутника с наземных станций, что обеспечивало общую точность всех остальных измерений на очень высоком уровне. 

Едва оказавшись на своей рабочей орбите, Seasat-1 тотчас приступил к исследованиям. Анализируя данные, полученные благодаря радиолокационному высотомеру, ученые за короткий промежуток времени определили и изучили крупные океанские течения, такие как Гольфстрим, и провели топографические исследования морского дна (подводные горы и хребты). Спутник осуществил одно из первых картографирований гравитационного поля Земли (геоид), что позволило создать самые передовые карты распределения земной гравитации на водных участках. Геоид представляет собой идеализированную форму Земли — это помогло понять, как именно массовые и гравитационные аномалии влияют на поверхность нашей планеты.

В ходе миссии была продемонстрирована и высокая эффективность радара с синтезированной апертурой. SAR оказался незаменимым прибором для работы в полярных регионах — предоставил изображения морского льда и доказал свою безотказность в облачную погоду и в ночное время. А скаттерометр составил первые планетарные карты скорости и направления ветра над океаном, что существенно облегчило прогнозирование погоды и изучение динамики штормов.

Seasat-1 впечатлял феноменальными возможностями, однако внутри его электроники таился дефект, давший о себе знать 10 октября, на 99-й день миссии. Именно тогда короткое замыкание в электрической системе мгновенно вывело из строя спутник, лишив обслуживающую команду шансов восстановить с ним связь. Но даже несмотря на крайне короткую продолжительность, миссия Seasat-1 собрала огромное количество данных и опробовала передовые для своего времени технологические решения. Сегодня SAR, которые впервые появились именно на Seasat-1 в далеком 1978 году, успешно применяются почти во всех областях спутникового мониторинга: от точного земледелия до милитаристской сферы. 

Итак, Seasat-1 блестяще доказал, что спутники могут стать надежными инструментами для глобального мониторинга океана, и выступил своеобразным фундаментом для всех дальнейших океанографических космических программ, которые появятся в США и Европе в 1980-е и 1990-е годы.

Следующие поколения океанографических спутников: Nimbus-7, GEOSAT и ERS-1

Спустя две недели после потери Seasat-1, 24 октября 1978 года NASA вывело на орбиту новый спутник для океанографии — Nimbus-7. Стоит отметить, что Nimbus-7, на тот момент уже седьмой аппарат в своей серии, был скорее метеорологическим, а не океанографическим спутником. Его целью было изучение трех ключевых сфер: атмосферы, океана и ледников (криосферы).

Впрочем, Nimbus-7 все же стоит упомянуть в этом материале, ведь именно он стал первым спутником, который осуществил измерения цвета океана с помощью инструмента Coastal Zone Color Scanner (CZCS). Это позволило ученым наконец отслеживать концентрацию хлорофилла (планктона) и состояние прибрежных вод. Спутник оснастили и сканирующим мультиспектральным микроволновым радиометром (Scanning Multichannel Microwave Radiometer, SMMR), который предоставлял длительные, почти ежедневные сведения о температуре поверхности воды, скорости ветра и, что самое важное, концентрации морского льда в полярных регионах. Nimbus-7 функционировал значительно дольше запланированного срока, собирая данные вплоть до 1987 года, и полностью прекратил свою работу только в 1994-м.

Вскоре США начали работать и над преемником Seasat-1. Этот космический аппарат назвали GEOdetic SATellite (GEOSAT), от начала разработки он проектировался именно для выполнения милитаристских задач. То есть основным оператором спутника было не NASA, а Военно-морские силы США.

С помощью GEOSAT военный флот планировал существенно улучшить навигацию баллистических ракет, запускаемых с подводных лодок, которые были важной составляющей американских сил ядерного сдерживания. Баллистические ракеты определяют свое положение во время полета инерциальными навигационными системами, точность которых зависит от знания локального гравитационного поля местности, куда они запускаются. А поскольку гравитационное поле Земли неоднородно, что наглядно доказал Seasat-1 во время картографирования геоидов, моряки нуждались в спутнике с радиолокационным высотомером, который бы создал актуальную карту геоидов. Именно поэтому на борту GEOSAT установили всего один прибор — радиолокационный высотомер.

Техническая простота спутника и наличие только одного инструмента в арсенале позволили значительно сэкономить на его производстве. Главным разработчиком и производителем спутника стала Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса. Конструкцию высотомера усовершенствовали по сравнению с Seasat-1, прибор получил и более надежную электронику. Кроме того, GEOSAT обрабатывал возвращенный радиосигнал (эхо) сразу на борту благодаря интеграции бортового микрокомпьютера.

Военный океанографический спутник достиг орбиты 12 марта 1985 года на ракете Atlas E и работал там пять лет подряд, до 1990-го. Его миссия была разбита на два основных этапа. Военная геодезическая миссия (режим GM) длилась 18 месяцев (с апреля 1985 по сентябрь 1986 года) — тогда GEOSAT составил наиболее детализированную карту гравитационного поля Земли. Как только первый этап геодезической миссии был выполнен, а потребности военного флота — удовлетворены, GEOSAT приступил ко второму этапу. Гражданская миссия наблюдения за океаном (режим ERM) заняла более трех лет, собранные в ходе нее данные позже обнародовали и сделали доступными для мирового научного сообщества. Работая в режиме ERM, GEOSAT стал вторым спутником после Seasat-1, который предоставил детальные сведения для мониторинга изменений уровня моря — ключевого индикатора в вопросе изучения климатических изменений. 

Опыт американского GEOSAT вдохновил Европейское космическое агентство (ESA), в результате чего появился концепт океанографического спутника European Remote Sensing Satellite 1 (ERS-1). В отличие от GEOSAT, ERS-1 был разработан как многофункциональная платформа, сосредоточившись на использовании микроволновых активных сенсоров (SAR, скаттерометр), которые позволяли ему собирать данные независимо от облачности или суточных циклов.

В арсенале спутника насчитывалось сразу пять инструментов для наблюдения за океанами и полярными ледовыми шапками: 

1. Active Microwave Instrument (AMI) — активный микроволновый прибор, работавший в двух основных режимах: радара с синтезированной апертурой (SAR) и скаттерометра ветра (Wind Scatterometer). 
2. Radar Altimeter (RA) — радиолокационный высотомер, подобный установленному на GEOSAT. 
3. Along-Track Scanning Radiometer (ATSR) — радиометр сканирования вдоль вектора движения спутника, предназначенный для измерения температуры на поверхности воды. 
4. Microwave Radiometer (MWR) — пассивный микроволновый радиометр, который использовался для определения содержания водяного пара и жидкой воды в атмосфере. Полученные данные были критически важными для атмосферной коррекции данных высотомера.
5. Precise Range And Range-rate Equipment (PRARE) — система точного определения орбиты, которая требовалась для достижения максимальной точности данных спутникового высотомера.

В первые четыре года своей миссии ERS-1 сосредоточился на исследовании поверхности земных океанов, фиксации перемен океанических течений, отслеживании глобального уровня изменения моря (сразу на 10 временных промежутках). SAR, установленный на спутнике, стал незаменимым прибором для систематического мониторинга толщины морского льда и ледовых щитов в Гренландии и Антарктиде.

Впоследствии в ESA решили усилить возможности ERS-1, запустив 21 апреля 1995 года его брата-близнеца — ERS-2. Вскоре после вывода на орбиту второго спутника началась короткая тандемная миссия космических аппаратов, во время которой были применены методы радиолокационной интерферометрии (InSAR). Новая парная методология позволила создать чрезвычайно точные цифровые модели высоты поверхности (DEM) и измерения минимальных движений почвы, которые можно было заметить после землетрясений. 

Таким образом тандемная миссия ERS-1/ERS-2 вышла далеко за пределы океанографических наблюдений. Парные исследования продолжались до марта 2000 года, когда из-за отказа системы управления ориентацией ERS-1 не смог перейти в режим аварийного энергосбережения. Спутнику не удалось выполнить маневр разворота своих солнечных батарей к нашей звезде для подзарядки аккумуляторов. Впрочем, ERS-1 почти втрое превысил свой запланированный трехлетний срок службы, проработав в общей сложности 8,5 лет. Его брат-близнец ERS-2 продолжал свою мониторинговую миссию вплоть до сентября 2011 года.

Сотрудничество на рубеже тысячелетий: американо-французский Topex/Poseidon

По состоянию на 1992 год и США, и Европа обзавелись собственным опытом запусков и эксплуатации океанографических спутников, но впереди оба континента ждало первое сотрудничество в спутниковой океанографии. Над миссией под названием TOPEX/Poseidon работали как сотрудники американского NASA, так и специалисты Французского космического агентства (Centre national d’études spatiales, CNES).

Идея организации подобной миссии появилась на рубеже 1970-х и 1980-х годов, сразу после того как техническая аномалия постигла Seasat-1 и привела к его потере. Главным инициатором выступила американская программа Ocean Topography Experiment (TOPEX). Миссия была прямым продолжением научных разработок, начатых в Seasat-1, ведь в ней были задействованы ученые из JPL, которые в свое время создали первый океанографический спутник. Французские специалисты из CNES выступили в качестве ключевого международного партнера миссии, предложив собственный компактный и инновационный радиолокационный высотомер Poseidon. 

Таким образом космический аппарат TOPEX/Poseidon получил сразу два радиочастотных высотомера: 

1. TOPEX. Двухчастотный радар работал одновременно в двух частотных диапазонах (С и Ku). Это позволило эффективно корректировать задержку сигнала, вызванную ионосферой, что стало ключом к значительно более высокой точности в сравнении с предыдущими спутниками для океанографии. 
2. Poseidon-1. Одночастотный, более компактный и менее энергоемкий радар производства CNES служил в основном для проверки надежности новых миниатюрных технологий, одновременно поставляя на Землю уточненную информацию, поступающую от TOPEX.

Для успеха миссии очень важно было вывести спутник на высокую орбиту с точным циклом повторения. Именно поэтому TOPEX/Poseidon решили разместить в 1336 км над Землей с циклом повторного пролета каждые 10 дней. Для группы ученых, руководивших проектом, такая точность в циклах орбитального повторения была важна, чтобы отличать постоянную форму геоида Земли от переменных топографических сигналов, которые могли вызывать океанские течения, приливы и тому подобное. 

Спутниковую миссию TOPEX/Poseidon вывели на орбиту 10 августа 1992 года. Сразу после того как она начала отправлять на Землю первые данные своих наблюдений, по обе стороны Атлантики осознали — разработан новый золотой стандарт в сфере спутниковой океанографии. Точность измерения уровня моря достигала 4,2 см, что было феноменальным результатом для спутниковых сенсоров.

Спутник регулярно отслеживал мельчайшие изменения в масштабных течениях, таких как Гольфстрим и Куросио, а также их меньшие, но энергичные вихри, улучшая океанское моделирование и прогноз погоды. Высокая точность и постоянный глобальный охват позволили создать одни из лучших в мире моделей океанских приливов. Именно TOPEX/Poseidon впервые смог определить средний глобальный темп повышения уровня мирового океана, а на рубеже 1997-1998 годов он спрогнозировал мощное климатическое событие — водоворот ураганов Эль-Ниньо и Ла-Нинья.

Изначально запланированный срок эксплуатации в 3-5 лет TOPEX/Poseidon значительно превысил — спутник официально завершил свою миссию только 18 января 2006 года (хотя фактически был деактивирован еще в октябре 2005-го). Причиной окончания миссии стала аномалия в системе ориентации, помешавшая аппарату придерживаться точной орбиты. Океанографический спутник стал ярким примером научно-технологической синергии между американскими технологиями точной альтиметрии (TOPEX) и французскими инновациями в миниатюризации радиочастотных высотомеров (Poseidon).

В XXI веке на орбиту отправится целый ряд спутниковых миссий по космическому мониторингу океанических вод и полярных ледников. Именно они помогут научному сообществу открыть глаза на проблематику изменения климата и глобального потепления. Итак, о серии океанографических спутников JASON, Sentinel-6 и современных методах спутниковой океанографии — читайте в продолжении этого материала.