Факультет

Студентам

Посетителям

Космическая гидрология

Моря и океаны связывают людей между собой, кормят их, определяют экономику и влияют на многие другие условия жизни людей.

В морской воде растворены огромные запасы различных веществ. Только золота в ней такое количество, что на каждого жителя Земли «приходится» по 3 килограмма. А о запасах поваренной соли можно судить по такому расчету: если бы вдруг испарились все моря и океаны, то две трети поверхности нашей планеты оказались бы покрытыми слоем соли в 133 метра толщиной. Еще более колоссальные запасы полезных ископаемых скрыты в недрах морского дна.

Поистине, Мировой океан — богатейшая кладовая нашей планеты. Но дело не только в этом. Мировой океан — основной поставщик водяных паров в атмосферу, то есть главнейший регулятор процессов, происходящих в ней, а значит и непосредственно связанных с формированием погоды в различных районах земного шара. Кроме того, океаны и моря неразрывно связаны со всеми реками и озерами на Земле и вместе с ними, а также с грандиозными ледовыми массивами Арктики, Антарктики и бесчисленными горными хребтами составляют единую гидрологическую сеть нашей планеты, которая дает людям запас воды. Правильно и всесторонне организованные гидрологические исследования имеют большое значение наряду с другими отраслями и для сельского хозяйства, где без Воды практически не обойтись. Но ведь, как известно, вода в природе находится в постоянном круговороте, а основные запасы ее сосредоточены в Мировом океане. Так что не случайно то внимание, которое ученые всего мира уделяют окружающему нас водному пространству.

Огромные водные площади, подлежащие обследованию, а также многообразие стоящих перед учеными задач, потребовали привлечения для проведения исследований не только кораблей, но и авиации, а в последнее время и космических летательных аппаратов. Возможности применения космической техники здесь поистине безграничны. В настоящее время разрабатываются и совершенствуются методы комбинированного получения информации о состоянии физических и химических характеристик океана, для чего устанавливаются специальные буи с аппаратурой, передающей по радио на самолет или на космический аппарат результаты измерений.

Запущенный в 1979 году первый океанологический спутник социалистических стран «Интеркосмос-20», пролетая над установленными в разных районах Мирового океана автоматическими буями и находящимися там научно-исследовательскими судами, вызывает их и по радио принимает всю собранную ими информацию о температуре и солености воды на разных глубинах, силе ветра и других параметрах. Затем все эти сведения передаются приемным станциям единой телеметрической системы стран-участниц программы Интеркосмос и поступают в распоряжение ученых.

Все направления неконтактных измерений интенсивно развиваются. Очень эффективными оказались они, в частности, во время пилотируемых полетов на борту космических кораблей «Союз» и орбитальных станций «Салют».

Помимо исследований по изучению водной поверхности морей и океанов они определяли границы «лед—вода», изучали ледовые поля и распределение айсбергов.

Исследования последних лет показали, кто снега и льды играют важную роль не только в освоении полярных и высокогорных территорий, но и природы всей нашей планеты. Их особенности необходимо постоянно учитывать при строительстве в северных и горных районах, они, как источники пресной воды, представляют огромную хозяйственную ценность. Не случайно поэтому еще в 1977 году было предложено создать наземно-авиа-космическую службу наблюдения за снегом и льдом, которая стала бы составной частью мониторинга природной среды, и через год такого рода наблюдения были впервые произведены экипажами двух длительных экспедиций на орбитальной станции «Салют-6».

Космонавтам было поручено тогда оценить распределение снежного покрова на поверхности суши, выявить пятнистость и асимметрию снегонакопления на разных склонах холмов, так называемые крупные надувы и карнизы, а также особенности аккумуляции снега в оврагах и балках. Космонавты должны были, кроме того, определять характер оледенения на отдельных горных вершинах, сообщать о мелких и средних ледниках в разные сезоны года, оценивать их морфологический тип и прослеживать границы, информировать о ледовой обстановке на море, в том числе и о численности и «маршрутах» движения айсбергов разных размеров.

Все эти наблюдения члены экипажей производили либо визуально, либо с помощью 6- и 12-кратных биноклей. Они также фотографировали земную поверхность двумя камерами, снабженными комплектом сменной оптики. Высота полета станции составляла 350 километров. С такой высоты снимки получались очень мелкомасштабными — около 1:2 000 000 и 1:5 000 000. К тому же, как правило, они были перспективными, так как объекты съемки часто оказывались далеко от подспутниковой вертикали. В тех же случаях, когда фотосъемка выполнялась в штатном режиме орбитальной ориентации стационарными фотоаппаратами МКФ-6М и КАТЭ-140, которые были ориентированы строго перпендикулярно земной поверхности, снимки отличались высокими измерительными свойствами.

Дешифрирование изображений одного и того же участка помогало точнее различать отдельные детали ледово-снежных ландшафтов, такие, например, как мокрый или сухой снег на поверхности ледников, снежники, освещенные или находящиеся в тени склонов.

Исследования, во время которых изучались динамика горных ледников и строение их поверхности, проводились следующим образом. Космонавты имели на борту «Салюта-6», например, подробные схемы ледников Памира и их наземные снимки (так, схема памирского ледника Бивачного была разбита на 40 квадратов), и экипаж должен был последовательно сообщать о тех особенностях морфологии ледника в каждом квадрате, которые он видел визуально и в бинокль. А в это время над ледником патрулировал вертолет и проверял достоверность сообщений с орбиты.

Надо сказать, что космонавты довольно быстро освоились с методикой гляциологических наблюдений, и к середине своего 140-суточного полета сразу же находили любой ледник Памира. Кроме Бивачного, они наблюдали на Памире ледник Федченко и ледники в тесных долинах Сугрен и Фортам бек. Но гляциологические исследования во время этого длительного полета, как уже отмечалось, не ограничивались только Памиром. В них входило также изучение Северного и Южного ледяных полей в Патагонии на юге Южной Америки и Сиачен в Каракоруме. В гляциологическую программу входило также определение границы сезонного снега на ледниках, а также наблюдения за некоторыми разновидностями ледников, в том числе наступающим памирским ледником Мушкетова, который, как известно, уже много лет продвигается к реке Муксу со скоростью 20—40 метров в год, за пульсирующим ледником Винчдара в долине реки Гармо.

С борта орбитальной станции «Салют-6» проводились наблюдения и за деградирующим языком пульсирующего ледника Медвежьего. Такого типа ледники изучались особенно тщательно, так как они обладают способностью внезапно и резко продвигаться вперед, что приводит к образованию разрушительных водно-ледово-каменных селей. Последняя подвижка ледника Медвежьего произошла в 1973 году, а теперь космонавты заметили расчленение продвинувшейся части ледника рекой Абдукагор. Участники космической экспедиции отметили также сброс вод подпрудного озера у ледника Большой Саукдара, который находится в долине реки Сауксай южнее пика Ленина в Заалайском хребте.

Что же касается Южного и Северного ледяных полей Патагонских Кордильер, то космонавты визуально исследовали динамику этой крупной ледниковой системы, площадь которой составляет 12 процентов всего внеполярного оледенения Земли. Ими было определено общее состояние патагонского оледенения, для чего проведено более 30 сеансов наблюдений и получено около 40 космических снимков.

В активе гляциологических исследований этой длительной космической экспедиции — ценные наблюдения ледников Морено и Брагген, стекающих с того же патагонского ледяного поля, а также наблюдения за айсбергами в Южном океане. Особенно большой айсберг был обнаружен 22 декабря 1977 года в районе острова Южная Георгия. Космонавты следили за перемещением этой грандиозной ледяной горы, которая проникла за границы наибольшего распространения плавучих антарктических льдов. Эти наблюдения позволили экспедиции собрать сведения о разрушениях и миграции айсбергов, а тем самым уточнить и некоторые особенности течений в районах их дрейфа.

Гляциологические исследования продолжали и участники первой длительной экспедиции на орбитальной станции «Салют-7» летчики-космонавты СССР А. Березовой и В. Лебедев. Они наблюдали, в частности, ледники Кавказа и продолжили исследования ледников Патагонии.

Хотя снег и лед и не являются частью органической природы, они тесно связаны с биосферой, так как часто становятся причиной грозных стихийных явлений — снежных и ледяных лавин и заносов, подвижки ледников. Кроме того, наряду с сушей и океаном, гляциосфера играет заметную роль в формировании климата, а изменения масс снега и льда вызывают колебания уровня Мирового океана.

Перед гляциологами стоят следующие важнейшие задачи, решение которых немыслимо без космической информации: исследования снежного покрова земного шара, ледовых полей в морях и океанах, а также их изменчивости во времени; изучение условий формирования и изменчивости снежно-ледовых явлений в горах и на совершенно конкретных территориях.

На основе космических снимков удалось построить карту средней продолжительности залегания снега в Средней Азии, и характер контуров на ней оказался более сложным, чем на аналогичной в Климатическом атласе СССР. Первая же построенная в начале 70-х годов с помощью снимков, полученных с орбитальной станции «Салют», карта снежных запасов Алтая выявила неизвестную ранее более высокую заснеженность южных склонов этой горной системы по сравнению с северными. Успехи космической гляциологии послужили одним из толчков к работе над Атласом снежно-ледовых ресурсов мира — крупным советским проектом, активно поддерживаемым международными организациями. Были составлены карты осадков, температур и других особенностей для ледников Памира, Кавказа, Алтая, Тянь-Шаня, Альп. Для атласа предусмотрено составление карт морфологии ледников. Одна из них — на Алтайский хребет — в опытном порядке была сделана целиком по космическим снимкам с корабля «Союз-22». Интересно, что точность показа оледенения в этом случае оказалась выше, чем при топографической съемке. Космические снимки могут оказать помощь и для картографирования лавин, а также снежных поверхностей с различным влагосодержанием. Большое значение будет иметь организация службы наблюдения за снегом и льдом.

С помощью космических аппаратов проводятся океанографические исследования. В течение ряда лет изучение поверхности океана из космоса осуществлялось в нашей стране (еще до запуска орбитальных станций «Салют») со спутников серии «Космос». Так, механизм взаимодействия океана с атмосферой изучался, в частности, с низкоорбитальных спутников «Космос-149» и «Космос-320». Исследования излучения суши и океанов Земли в сантиметровом и инфракрасном диапазонах проводились со спутников «Космос-243», «Космос-384». Эта информация дополнялась сведениями метеорологических спутников «Метеор» и «Природа». В этот же период удалось отработать ретрансляцию океанологической информации с буев через спутники. В феврале 1979 года был осуществлен запуск первого советского специализированного спутника для исследований океана «Космос-1076». Он обеспечивал наблюдения океана в видимом, инфракрасном и сверхвысокочастотном диапазонах и входил в систему «спутник-буй-корабль», которая помогала следить за температурой поверхности океана.

Практика последних лет показывает, что гидрологические, в том числе океанологические и гляциологические, исследования могут проводиться не только визуально-оптическими методами, но и дистанционно, сверхвысокочастотными радиометрами. Результаты первых экспериментов по измерению радиотеплового излучения Земли из космоса показали большие преимущества СВЧ-метода для определения в числе прочих и характеристик морских дрейфующих льдов, в частности, данные о распределении на глубине их температуры, солености и плотности льда. Кроме того, достаточно обоснованная связь между физико-химическими и электрическими характеристиками морских льдов в диапазоне 0,8—8,0 сантиметров позволяет численно исследовать вариации их радиотеплового излучения.

Коль скоро мы заговорили о дистанционном и других методах исследования, широко используемых, в частности, в гляциологии, следует сказать, что применение оптических методов при изучении морской растительности — фитопланктона — связано с определенными трудностями в связи с тем, что отражательная способность водных пространств невысока. Как правило, она не превышает 2—6 процентов. Отражательная же способность водных растений еще меньше, ведь концентрация хлорофилла, каротиноидов и других пигментов фитопланктона низка и составляет от нескольких до десятых и сотых долей миллиграмма на кубический метр. Поглощение же света, обусловленное селективным, то есть избирательным поглощением пигмента фитопланктона, не превышает 2—5 процентов от общего поглощения света в воде.

Эксперименты показали, что оптические методы определения фитопланктона могут быть основаны на вычислении концентрации в нем хлорофилла — его содержание и в особенности сезонная динамика служат самым общим показателем фотосинтетической активности и биомассы фитопланктона. Кроме того, результаты теоретических и гидробиологических исследований позволяют сделать вывод, что по измерениям спектральной поглощательной и отражательной способности, то есть спектральной яркости воды, можно регистрировать содержание хлорофилла фитопланктона во внутренних водоемах и морях, а с помощью фотолюминесцентного метода — ив большинстве районов Мирового океана.

Космическая техника может быть применена и для поиска новых источников пресных вод и определения степени ее загрязненности, а также для наблюдения за паводковыми водами, колебаниями уровня грунтовых вод, водным режимом рек, озер и ледников, эффективностью мелиоративных и ирригационных систем, что имеет очень большое значение для многих отраслей народного хозяйства и в первую очередь для развития сельскохозяйственного производства.

Такого рода наблюдениями, в частности, занимались участники всех космических экспедиций на орбитальных станциях «Салют». Члены первой экспедиции на «Салюте-7» успешно осуществили, например, контроль за состоянием систем орошения в районе Каракумского канала и Голодной степи (отметили заиление отстойника водохранилища Каракумского канала).

Экспедиция произвела также оценку загрязненности вод Черного и Каспийского морей в районах Новороссийска и Нефтяных Камней. Экипаж «Салюта-7» также наблюдал за состоянием водохранилищ в нижнем течении Волги и Днепра (отметили цветение Каховского водохранилища).

А теперь хотелось бы привести и некоторые примеры использования космической информации в гидрологических исследованиях за рубежом. Так, на XXII сессии КОСПАР, проходившей в мае — июне 1979 года в Индии, на заседании рабочей группы по дистанционному зондированию отмечалось, что с помощью американской космической системы «Ландсат» в штате Айова были обнаружены аллювиальные отложения, которые содержали много грунтовых вод. Это свидетельствовало о том, что космические снимки несут достаточную информацию об особенностях местности, указывающих на присутствие водоносных слоев. Космические снимки позволили также наметить мероприятия по осушению болот в Северной Колумбии.

Очень велика роль космической информации для прогнозирования стока талых вод, в частности, в горах.

Однако в горах, где регулярные снегомерные съемки производятся только на метеостанциях, снежный покров изучается еще недостаточно. Тем большее значение приобретает для этих районов использование космической техники, позволяющей в любое время производить съемку огромных территорий, причем вести ее непрерывно и получать не только глобальную, но и комплексную информацию обо всем районе залегания снежного покрова, что очень важно для объективного прогноза размеров половодья.

Такие исследования проведены нашими учеными. На основе космической информации сотрудники Института геологии и геофизики Сибирского отделения Академии наук СССР изучили сход снежного покрова в бассейне рек Алтая-Саянской горной системы — Верхней Оби, Бии, Катуни, Верхнего Енисея. Для этого они по телевизионным снимкам, полученным с советских и американских спутников в 1969—1978 годах, и многозональным снимкам со спутников «Метеор-25» и «Метеор-28» за 1977—1978 годы исследовали степень закрытия территории этой горной системы снегом и средние для бассейнов перечисленных рек высоты снеговой линии.

Эти исследования представляли большой народнохозяйственный интерес. Дело в том, что для многих отраслей народного хозяйства страны и, в первую очередь, сельского хозяйства, важно знать составляемые в период снеготания прогнозы стока на оставшуюся часть половодья, величина которого зависит в основном от запасов снега в бассейнах рек. На горных реках Сибири половодье бывает обычно с апреля по июнь, поэтому по оставшимся на них снегозапасам лучше всего предсказывать сток на последние 4—6 недель. Так, в частности, для водосборов рек Оби у города Барнаула, Бии у города Бийска, Катуни возле села Сродни и Енисея у села Никитино за 10 лет съемок (с 1968 по 1978 год) изучалась зависимость объема стока за июнь от степени заснеженности в конце мая.

Полученные данные были признаны вполне удовлетворительнными. Хотя отрезок времени, который был взят для изучения, сравнительно небольшой, зато в нем оказались многоводный (1968) и маловодный (1974) годы. Оценивая так высоко результативность космической информации, надо, однако, помнить, что она во всех случаях не заменяет, а лишь дополняет традиционные виды исследований. Так, по результатам съемок с метеорологических спутников с привлечением данных, собранных за 100 лет наблюдений водосбора реки Катунь в период весеннего половодья (в апреле—июне), удалось определить зависимость весеннего половодья от площади одновременного снеготаяния и величины притока на нее тепла.

Наверное, следует более подробно рассказать о том, как производится расчет прогноза стока весеннего половодья. Исходными данными для этого расчета являются высота снеговой линии и степень заснеженности, которые свидетельствуют об аккумулированных в бассейне запасах воды, которые поступят в речную сеть в период половодья. Динамика сезонной снеговой линии подсчитывается на 1 градус положительной среднесуточной температуры воздуха как показателя интенсивности снеготаяния. Помимо общей закономерности возрастания атмосферных осадков с высотой, на увеличение снегозапасов в горах влияет также перераспределение снежного покрова за счет широко распространенных на Алтае снежных лавин, а также метелей, которые переносят снег из гольцового пояса гор в верхнюю зону леса. Все эти причины и объясняют, почему основная волна половодья на реках Горного Алтая наблюдается тогда, когда снеговая линия находится на высоте 2 200—2 800 метров.

Неоценимую помощь может оказать космическая информация и при наводнениях, связанных не с весенним половодьем, а, например, с циклонами и другими проявлениями разбушевавшейся стихии, как это имело место в августе 1981 года во время наводнения в Сахалинской области и Хабаровском крае. Газета «Правда» в те дни (14 августа 1981 года) писала: «Снимки, полученные с искусственных спутников Земли, свидетельствуют: многочисленные притоки несут в Амур небывалую массу воды. Подобного не было за столетнюю историю наблюдений гидрогеологов за режимом здешних рек. Тревожная обстановка и в долине реки Бекин…».

Но ведь циклоны и антициклоны — явление атмосферы, то есть прямо связанные с океаном. Гидрографические и метеорологические исследования последних лет показали, что и современная океанология нуждается в новых методиках, которые обеспечивали бы непрерывную информацию о процессах, протекающих в океане в широком пространственно-временном диапазоне, для решения фундаментальных и прикладных проблем этой науки. Эта информация должна, в частности, помочь специалистам лучше изучить механизм взаимодействия океана с атмосферой, процессы переноса и накопления в нем веществ, исследовать тектонические явления по акватории Мирового океана и закономерности пространственного распределения полезных ископаемых на его дне, особенно в шельфовых зонах. Она важна также и для решения ряда прикладных задач, в частности, прогнозирования ураганов и ветровых волнений для сводок погоды и нужд мореплавания.

Над решением этих задач в настоящее время работают ученые многих стран. Французские специалисты, например, исследуют течения у берегов Антарктиды, пользуясь данными с американских спутников и буев-ответчиков, которые они помещают на айсберги. Кстати, методика изучения течений в южных широтах с помощью спутников и многочисленных буев считается наиболее перспективной. В первую очередь потому, что буи могут быть разной конструкции: либо постоянно дрейфовать на поверхности океана, либо по вызову всплывать с заданных глубин и передавать на борт спутника накопленную информацию, либо, наконец, стоять на якорях в исследуемых районах океана. С помощью буев очень удобно, в частности, собирать информацию о приводной атмосфере, скорости и направлении ветра, температуре, электропроводности и давлении в воде, скорости течений, прозрачности воды, ее радиоактивности и др. Информация, собранная спутниками с буев, может передаваться ими на суда или наземные центры сбора данных.

Близкими задачами являются также сбор спутниками информации о местоположении судов и, наоборот, использование информации со спутников для наведения научных судов на объекты исследования, а рыболовных — на объекты промысла. Надо сказать, что навигация на основе спутниковой информации, а тем более от системы спутников, намного точнее. Она позволяет фиксировать положение судна с точностью до десятков метров, а это на порядок выше, чем применяющиеся до сих пор методы радиопеленгации и астрономического определения места.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: