Дистанционные методы в океанологии

Аэрофотосъемка исторически была первым и длительное время единственным дистанционным методом, примененным для океанологических исследований, и сыграла важную роль в развитии океанологии. Хотя за последний период появился ряд новых методов дистанционного зондирования океана, обладающих такими свойствами, которые не имеет аэрофотосъемка, все-таки ее роль в океанологических исследованиях продолжает оставаться значительной.

Это объясняется тем, что методика и технология аэрофотосъемочного процесса весьма детально отработаны, имеется широкий ассортимент аэрофотосъемочиой серийно выпускаемой аппаратуры, а также приборов для обработки аэрофотоснимков, с помощью аэрфотосъемки можно получить данные о достаточно большом числе океанологических параметров.

Непосредственным результатом  аэросъемочного процесса является аэрофотоснимок, представляющий собой визуально воспринимаемую модель объекта съемки и несущий достаточно большое количество информации о нем.

Однако, как правило, для  получения интересующих исследодователя  данных оказывается совершенно недостаточным  простое рассмотрение аэрофотоснимка, требуется проведение достаточно сложной обработки и дешифрирования, в результате чего получаются не только качественные данные об объекте съемки, но и количественные характеристики его геометрической структуры (размеров, координат и т. п.).⁴

5. Метод акустической термометрии

Одним из наиболее современных  дистанционных методов наблюдения за климатом океана безусловно следует считать мониторинг изменчивости интегральной температуры водных слоев на протяженных океанских трассах методом акустической термометрии. Метод основывается на отчетливой зависимости скорости распространения звука в океане от температуры воды.

Предполагается, что если в течении нескольких лет отслеживать  изменчивость времени распространения  акустических сигналов между излучателем  и приемником по разным лучам или  так называемым нормальным модам, то будет возможно определить наличие  тренда или колебаний интегральной температуры вдоль этой трассы в различных по глубине водных слоях.

Идея акустической термометрии  климата океана была предложена У. Манком и A. Форбесом [W. Munk and A. Forbes,1989]. Возможность  технической реализации этой идеи и некоторые основные научные положения метода были экспериментально проверены в Международном эксперименте "Heard Island Feasibility Test" [W. Munk и др.,1994], в котором акустические сигналы излучались в течение нескольких дней у берегов о.Херд и принимались в Индийском, Тихом и Атлантическом океанах. В настоящее время научные работы по проблеме акустической термометрии климата Мирового океана проводятся в рамках Международного проекта "Acoustic Thermometry of Ocean Climate" (ATOC). Проект включает в себя также исследования возможности и эффективности акустического мониторинга климата в Арктике, что было впервые предложено П. Михалевским.

Моделирование акустического  мониторинга выявило ряд специфических  особенностей и, в частности, преимуществ  использования этого нового метода измерений в условиях Арктического бассейна. Вид вертикального распределение температуры и, следовательно, скорости звука в Арктическом бассейне обуславливает преимущественно приповерхностное распространение акустических сигналов в океане и сильное влияние параметров ледяного покрова на энергетические характеристики этих сигналов.

На частоте 20 Гц, оптимальной  для трансарктических акустических передач, время прохождения сигнала  или его фаза чувствительны к  изменениям температуры воды в наибольшей степени, тогда как интенсивность принятых сигналов сильно зависит от параметров ледяного покрова, и в первую очередь, от его средней толщины.

Таким образом, применение акустической термометрии в Арктическом  бассейне не только актуально, но также и наиболее эффективен с точки зрения выявления существенных климатических изменений, поскольку позволяет организовать мониторинг сразу двух климатически значимых параметров - температуры океана и объема плавучих арктических льдов.⁵

6. Инфракрасные методы зондирования океана

Невозможность получения  данных о физическом состоянии океанологических объектов с помощью методов дистанционного зондирования, использующих видимый участок электромагнитного спектра, стимулировала обращение к другим диапазонам длин волн. В частности, еще в 20 гг. текущего столетия были предприняты первые опыты по созданию аппаратуры, работающей в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн, и применению этой аппаратуры для дистанционного исследования подстилающей поверхности. В дальнейшем, начиная с 50 годов, исследования по использованию инфракрасной аппаратуры для дистанционного определения параметров подстилающей поверхности, в том числе и поверхности океана, начали развиваться быстрыми темпами.

Особенно большой вклад  в этом направлении внесли исследователи ЛО ГОИНа, ЛАНИЙ, ГГО им. А. И. Воейкова. К настоящему времени инфракрасный метод зондирования океана по степени разработанности и широте практического применения занимает одно из первых мест в ряду прочих дистанционных методов. Можно утверждать, что он уже вышел из экспериментальной стадии и превратился в производственный способ получения океанологической информации.

С помощью пассивной  инфракрасной аппаратуры, установленной на летательных аппаратах, можно удобно, быстро и с большой точностью получать данные о температуре поверхности океанологических объектов на значительных акваториях в любое время суток. Дальнейшая обработка и анализ температурных характеристик позволяют расширять количество видов получаемой океанологической информации, представляющих интерес для океанологической науки и практики.

Так, в частности, в  последние годы доказана возможность  применения инфракрасной аппаратуры для определения толщины ледяного покрова.

Наряду с пассивными инфракрасными методами начинает применяться и активная инфракрасная аппаратура. Имеются сведения об успешных опытах использования инфракрасных лазеров для дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений вод океанов и морей.⁶

7. Радиофизические методы зондирования океана

Несмотря на достоинства  методов дистанционного зондирования океана, использующих оптический и инфракрасный диапазоны электромагнитного спектра, им присущ также важный недостаток» сужающий возможности их практического применения. Этот недостаток состоит в том, что наблюдения за поверхностью моря с помощью дистанционной зондирующей аппаратуры оптического и инфракрасного диапазонов возможно производить только в отсутствии облачности и осадков (а оптическими средствами, кроме того, только в светлое время суток).

Указанное обстоятельство в основном и определило появление  и развитие самого молодого направления  неконтактных методов исследования океанов радиофизических методов, использующих микроволновый (или сверхвысокочастотный — СВЧ) диапазон электромагнитного спектра в интервале длин волн I мм—1 м. Существенную роль в развитии этого направления сыграли также огромные успехи радиоэлектроники, в частности радиолокации. Электромагнитные волны с длинами от 1 мм до 1 м по традиции относят к радиоволнам, изучением их распространения занимается радиофизика, а устройства, генерирующие и принимающие их, носят название радиоэлектронных.

Радиоволны СВЧ диапазона  хотя и испытывают некоторую трансформацию  при прохождении зон облаков  и осадков, но прак-'ически легко  проникают сквозь них и дают тем самым возможность осуществлять наблюдения поверхности океана практически при любых погодных условиях.

В настоящее время  считается общепризнанным, что с  помощью радиофизических методов  можно получать информацию о температурных характеристиках океанологических объектов, строении и состоянии ледяного покрова, параметрах морского волнения, загрязнении поверхности океана.

Первые опыты по применению радиоволн для дистанционных  измерений были предприняты в  конце 40-х — начале 50-х гг. Так, сотрудниками ИРЭ АН УССР под руководством С. Я. Брауде была показана возможность дистанционного неконтактного измерения некоторых параметров морского волнения при помощи радиоустройств, работающих на коротких волнах. Были и последующие попытки использовать коротковолновый диапазон радиоволн для аналогичных целей. Однако этот диапазон не нашел применения из-за громоздкости антенных устройств.

Первые предложения по использованию радиолокационных изображений морской поверхности (СВЧ диапазон) для измерения параметров волнения были сделаны в 50-х гг. В. В. Дремлюгом.

Наблюдения за собственным  радиоизлучением атмосферы в  СВЧ диапазоне были впервые в нашей стране проведены В. С. Троицким и С. А. Жепакниым в конце 50-х гг. Эти первые исследования проложили дорогу дли дальнейшего все более расширяющегося развития радиофизических методов дистанционного зондирования.

В настоящее время  разработкой радиофизических методов  определения океанологических параметров в нашей стране занимается большое  число научно-исследовательских организаций. Особенно значительный вклад в это направление внесли сотрудники ААНИИ, ГОИНа, ГГО им. А. И. Воейкова. ИРЭ АН УССР.

Радиофизические методы дистанционного зондирования океана развиваются  в двух основных направлениях. Первое направление предусматривает разработку и создание активных средств (радиолокаторов) и методой их применения для получения океанологических параметров. Второе направление ставит своей задаче:! использование особенностей естественного излучения океанологических объектов в СВЧ диапазоне для определения данных о состоянии поверхности океана (пассивный метод).

Необходимо отметить, что, в отличие от оптических и  инфракрасных методов, активный радиофизический метод получил наибольшее развитие и распространение по сравнению с пассивным. Так, радиолокация морского дрейфующего льда стала не только методом его исследования, но и штатным техническим способом ледовой авиаразведки. Напротив, пассивный метод не вышел из стадии экспериментальных исследовании. Следует также подчеркнуть, что, судя по имеющимся признакам, в ближайшие годы не предполагается широкого практического использования пассивных радиофизических средств для самолетного зондирования морей и океанов.

Проводимые теоретические  и экспериментальные исследования преследуют главным образом цель получить необходимые характеристики естественного микроволнового излучение океанологических объектов и решить ряд методических вопросов для повышения эффективности работы пассивной радиофизической аппаратуры (микроволновых или СВЧ радиометров), устанавливаемой на искусственных спутниках Земли («Космос-243», «Космос-348», «Сиасат» и т. п.). Вместе с тем, конечно, не исключается использование такой аппаратуры и с самолетов, на что указывает, в частности, применение микроволновых радиометров на самолетах ледовой патрульной службы в Северной Атлантике.⁷

Заключение

За последние годы все более широко и с возрастающей интенсивностью стали применяться новые методы определения океанологических параметров, получившие название дистанционных или неконтактных методов зондирования океана.

Главной отличительной  чертой этих методов является возможность получения количественных значений параметров, характеризующих физическое состояние океана, без непосредственного контакта измерительной аппаратуры с измеряемой средой. Как известно, традиционная измерительная океанологическая аппаратура обязательно предполагает помещение чувствительных элементов первичных преобразователей (датчиков) в ту среду, характеристики которой предполагают определить (измерить).

Возможность определения  океанологических параметров без установления непосредственного контакта измерителей  с измеряемыми объектами предоставляет целый ряд преимуществ в изучении океанологической обстановки по сравнению с использованием контактной аппаратуры.

Главными из них являются следующие:

во-первых, в отличие  от контактных приборов, позволяющих  производить измерения в какой-либо точке или в ограниченном числе  точек па акватории океана, т. е. с  большой пространственной дискретностью, дистанционные методы зондирования дают возможность получать непрерывные пространственные данные;

во-вторых, неконтактные методы могут с успехом использоваться в тех случаях, когда по ряду причин (главным образом связанных с невозможностью доставить прибор и произвести измерение в каком-либо районе океана из-за тяжелых погодных и ледовых условий) контактные приборы применены быть не могут. Этим обстоятельством, в частности, объясняется очень малое количество имеющихся данных о параметрах волнения моря для наиболее интересных штормовых условий, а освещение ледовой обстановки Контактными способами вообще является невозможным;

в-третьих, дистанционные  методы зондирования океана позволяют получить данные о физическом состоянии больших океанских акваторий в короткие сроки со сравнительно малыми экономическими затратами.

Именно эти качества определяли быстрое и бурное развитие дистанционных методов зондирования океана за последние годы.

Таким образом, можно  с уверенностью сказать, что в настоящее время, изучая тему дистанционных методов зондирования в океанологии, можно сделать вывод о том, что в ближайшем будущем актуально будет изучать проблемы создания новых технологий дистанционного зондирования поверхности Мирового океана, обеспечивающих проведение комплексных научных исследований, проблемы своевременного обнаружения и предсказания по данным измерений, полученным из океана и космоса, природных катастрофических явлений.

Дистанционные методы в  океанологии, с применением спутниковых методов открыли новые возможности для научных исследований и технологических разработок в различных областях науки и техники; внесли большой вклад в понимание динамики атмосферы и океанов.