Історія виникнення супутникової океанографії

Європейський океанографічний спостерігач ERS-1. Фото: commons.wikimedia.org

Близько 71% земної поверхні вкрито водою, левову частку якої становлять саме океани. Цей величезний мінливий простір нашої планети до сьогодні слабо досліджений. Варто розуміти, що океани — не просто неосяжна маса води. Глобальні екосистеми регулюють земний клімат, підтримують біорізноманіття і загалом є конче важливими для всього живого на Землі.

З метою ретельно дослідити складні процеси, що криються за утворенням та еволюцією океанів, людство вирішило не тільки зануритися у їхні глибини, а й спробувати осягнути їх зверху. Саме так на орбіті з’явилися моніторингові супутники і навіть цілі супутникові угруповання, які наразі є незамінним інструментом для океанографічних досліджень. Про це – у матеріалі видання MaxPolyakov.space.

Перші кроки: дослідницький інструментарій Skylab

Початок 1970-х років став часом відліку для орбітальних програм, присвячених вивченню океанів. До цього лише декілька супутникових апаратів (і то доволі дотично) виконували функцію океанічних дослідників. Так, радянський супутник “Космос-243” (запущений 1968 року) та “Космос-384” (1970-й) були оснащені мікрохвильовими радіометрами, що дозволяли їм з орбіти вимірювати температуру поверхні моря та швидкість вітру. Але цього було замало для повноцінного спостереження за основними параметрами світового океану.

Тож до початку 1970-х років океанографія обмежувалася даними, отриманими переважно з кораблів і літаків. Океанографічні дослідження за допомогою кораблів накладали великі обмеження, адже судна рухалися дуже повільно й за один рейс могли охопити відносно невеликі ділянки океанічної поверхні. Літаки тут були більш практичним інструментом і використовувалися для досліджень майже зі старту авіаційної ери на початку ХХ сторіччя. Розвідувальні літальні апарати надавали аерофотознімки прибережних зон і проводили дистанційні зондування інфрачервоними й мікрохвильовими радіометрами. З одного боку, океанографічна авіація могла отримувати досить деталізовані знімки поверхні океану, адже літала на відносно низьких (порівняно з орбітальними) висотах. З іншого, саме ця перевага й обмежувала океанографічну авіацію — через нездатність забезпечити глобальне охоплення планетарних масштабів. Ба більше, її працездатність завжди залежала від погодних умов.

Для того щоб отримати комплексне глобальне уявлення про океани як єдину динамічну систему, в NASA запропонували піти іншим шляхом: оглянути океанічну поверхню з висоти земної орбіти. Першим апаратом, оснащеним обладнанням для океанографічних досліджень, стала американська орбітальна станція Skylab, виведена в космос 14 травня 1973 року.

Попри те, що Skylab не була спроєктована спеціально для супутникової океанографії, саме вона відіграла значну роль у дослідженні масштабних водних ділянок. Астронавти на її борту виконували візуальні спостереження та фотографували Землю, включно з океанами. В арсеналі екіпажу станції були як ручні камери типу Hasselblad, так і професійні дослідницькі інструменти з набору спеціалізованого обладнання для спостереження за Землею (Earth Resources Experiment Package, EREP).

EREP був передовим для свого часу набором вимірювальних інструментів і містив одразу шість основних приладів для всебічного спостереження за земною поверхнею. Зокрема, до його складу входили:

1. Мультиспектральна камера типу S190A — система із шести ідентичних камер, які одночасно знімали поверхню, використовуючи кожна свій власний вузький фільтр. Такий підхід дозволяв проводити зйомку у шести різноманітних спектральних діапазонах (від видимого до ближнього інфрачервоного світла).
2. Високороздільна камера S190B, оснащена довгофокусним об’єктивом, щоб отримувати дуже деталізовані зображення поверхні Землі. З огляду на завдання океанографії це допомагало детально вивчати прибережні зони, динаміку дрейфу льоду, вихрові течії поблизу берега тощо.
3. Інфрачервоний спектрометр S191, налаштований на вимір інтенсивності випромінювання, що надходило із Землі, у двох ключових діапазонах: короткохвильовому та тепловому інфрачервоному. Основне завдання полягало в точному встановленні температури поверхні (як суходолу, так і води), а також в аналізі складу земної атмосфери.
4. Мультиспектральний сканер S192 працював одразу у 13 вузьких спектральних каналах, від видимого до інфрачервоного діапазону. Прилад був унікальним винаходом для свого часу, оскільки збирав дані в цифровому форматі, що дозволило застосовувати комп’ютерний аналіз для автоматизованої класифікації і вивчення земного рельєфу й ресурсів.
5. Мікрохвильовий радіометр/скаттерометр/висотомір S193. В океанографії прилад використовувався для вимірювання висоти морської поверхні та мапування течій і хвиль, визначення температури поверхні води, а також швидкості й напрямку вітру над водою.
6. L-діапазонний радіометр S194 — пасивний мікрохвильовий інструмент, що працював на відносно великій довжині хвилі (L-діапазон). Він проєктувався для експериментального вивчення можливості дистанційного зондування таких параметрів, як вологість ґрунту на суходолі, а також солоності води.

За 171 добу експлуатації Skylab, з 1973 до 1974 року, станцію послідовно відвідали три ротації екіпажу. Вони зробили за допомогою EREP близько 350 000 знімків земної поверхні, зокрема й океанів. Отримані з висоти майже 435 км над Землею фотографії стали першим документальним свідченням глобальних динамічних процесів, що відбувалися в океані. За цей час астронавти зафіксували потужні океанські течії та вихрові потоки, поширення великих скупчень фітопланктону, рух айсбергів і дрейфування морського льоду в полярних регіонах. До того ж визначили основні механізми взаємодії земної атмосфери з океанічними водами.

Утім, Skylab була лише передвісником повноцінного океанографічного супутника, який вивели на орбіту аж наприкінці 1970-х років.

Seasat-1: перший SAR-супутник світу й піонер космічної океанографії

27 червня 1978 року NASA запустило Seasat-1, який став першим супутником, повністю зосередженим на дослідженнях океану. Байдуже, що космічна місія Seasat-1 тривала лише 99 днів і передчасно завершилася через технічну несправність, саме вона назавжди змінила уявлення про можливості, які пропонує супутникова океанографія. Seasat-1 довів, що супутники можуть надавати дані високої якості для прогнозування погоди, вивчення клімату, моніторингу судноплавства, та головне — рівня світового океану.

Космічний апарат було розроблено Лабораторією реактивного руху при NASA. Вартість проєкту склала ≈$85 млн, що було дуже амбітним бюджетом у 1970-ті роки. Попередній план місії передбачав, що космічний апарат працюватиме на орбіті протягом 3-5 років. В арсеналі Seasat-1 мав п’ять наукових приладів, призначених суто для океанографічних досліджень:

1. Радіолокаційний висотомір (Radar Altimeter) — відстежував час, за який радіоімпульс, випущений з супутника, досягав поверхні океану й повертався назад. Такий підхід дозволяв з дуже високою точністю визначати висоту морської поверхні. В подальшому, з розвитком океанографічних супутників, саме радіолокаційні висотоміри залишаться актуальними та точним приладами для виміру рівня океану.
2. Сканувальний багатоканальний мікрохвильовий радіометр (Scanning Multichannel Microwave Radiometer, SMMR). Цей пасивний інструмент збирав мікрохвильове випромінювання, що виходить з поверхні океану. За його допомогою можна було доволі точно визначати температуру поверхні води, швидкість вітру, вміст водяної пари в атмосфері та навіть кількість рідкої води в хмарах.
3. Мікрохвильовий скаттерометр (Microwave Scatterometer) — вимірював відбиття мікрохвильових імпульсів від поверхні води. Шорсткість водяної поверхні, яку спричиняє вітер, впливає на характер відбитого сигналу. Відтак, аналізуючи його, вчені розраховують швидкість і напрямок вітру над океаном, що є критично важливим для прогнозування штормів.
4. Радар із синтезованою апертурою (Synthetic Aperture Radar, SAR) — найбільш інноваційний прилад на борту Seasat-1 і перший подібний радар з коли-небудь встановлених на супутник. SAR надавав якісні зображення поверхні океану з високою роздільною здатністю, незалежно від погодних умов чи сонячного світла, тож був надзвичайно ефективним для спостереження за морським льодом, хвилями, а також для виявлення кораблів.
5. Лазерний відбивач (Laser Retroreflector) — використовувався для точного відстеження орбіти супутника з наземних станцій, що забезпечувало загальну точність усіх інших вимірювань на дуже високому рівні.

Щойно Seasat-1 опинився на своїй робочій орбіті, одразу розпочав дослідження. Аналізуючи дані, отримані завдяки радіолокаційному висотоміру, вчені за короткий проміжок часу визначили й вивчили великі океанські течії, такі як Гольфстрім, і здійснили топографічні дослідження морського дна (підводні гори і хребти). Супутник провів одне з перших картографувань гравітаційного поля Землі (геоїд), що дозволило створити найбільш передові мапи розподілу земної гравітації на водних ділянках. Геоїд являє собою ідеалізовану форму Землі — це допомогло зрозуміти, як саме масові та гравітаційні аномалії впливають на поверхню нашої планети.

Упродовж місії була продемонстрована й висока ефективність радара із синтезованою апертурою. SAR виявився незамінним приладом для роботи у полярних регіонах — надав зображення морського льоду і довів свою безвідмовність у хмарну погоду та в нічний час. А скаттерометр склав перші планетарні мапи швидкості й напрямку вітру над океаном, що суттєво полегшило прогнозування погоди і вивчення динаміки штормів.

Seasat-1 вражав феноменальними можливостями, однак усередині його електроніки ховався дефект, що дав знати про себе 10 жовтня, на 99-й день місії. Саме тоді коротке замикання в електричній системі миттєво вивело з ладу супутник, позбавивши команду обслуговування шансів поновити із ним зв’язок. Та навіть попри вкрай коротку тривалість, місія Seasat-1 зібрала величезну кількість даних і випробувала передові для свого часу технологічні рішення. Сьогодні SAR, які вперше з’явилися саме на Seasat-1 в далекому 1978 році, вдало застосовуються майже у всіх областях супутникового моніторингу: від точного землеробства до мілітаристської сфери.

Отже, Seasat-1 блискуче довів, що супутники можуть стати надійними інструментами для глобального моніторингу океану, і виступив своєрідним фундаментом для всіх подальших океанографічних космічних програм, які з’являться в США та Європі у 1980-ті та 1990-ті роки.

Наступні генерації океанографічних супутників: Nimbus-7, GEOSAT та ERS-1

За два тижні після втрати Seasat-1, 24 жовтня 1978 року NASA вивело на орбіту новий супутник для океанографії — Nimbus-7. Варто відзначити, що Nimbus-7, на той момент уже сьомий апарат у своїй серії, був радше метеорологічним, а не океанографічним супутником. Він мав на меті вивчення трьох ключових сфер: атмосфери, океану й льодовиків (кріосфери).

Утім, Nimbus-7 все ж варто згадати у цьому матеріалі, адже саме він став першим супутником, який здійснив вимірювання кольору океану за допомогою інструмента Coastal Zone Color Scanner (CZCS). Це дозволило вченим нарешті відстежувати концентрацію хлорофілу (планктону) і стан прибережних вод. Супутник оснастили й сканувальним мультиспектральним мікрохвильовим радіометром (Scanning Multichannel Microwave Radiometer, SMMR), який надавав тривалі, майже щоденні відомості про температуру поверхні води, швидкість вітру та, що найважливіше, концентрацію морського льоду в полярних регіонах. Nimbus-7 функціонував значно довше запланованого терміну, збираючи дані аж до 1987 року, і повністю припинив свою роботу лише у 1994-му.

Незабаром США почали працювати і над наступником Seasat-1. Цей космічний апарат назвали GEOdetic SATellite (GEOSAT), від початку розробки він проєктувався саме для виконання мілітаристських завдань. Тобто основним оператором супутника було не NASA, а Військово-морські сили США.

За допомогою GEOSAT військовий флот планував суттєво покращити навігацію балістичних ракет, що запускаються з підводних човнів, які були важливою компонентою американських сил ядерного стримування. Балістичні ракети визначають своє положення під час польоту інерційними навігаційними системами, точність яких залежить від знання локального гравітаційного поля місцевості, куди вони запускаються. А оскільки гравітаційне поле Землі неоднорідне, що наочно довів Seasat-1 під час картографування геоїд, моряки потребували супутника з радіолокаційним висотоміром, який би створив актуальну мапу геоїд. Саме тому на борту GEOSAT встановили всього один прилад — радіолокаційний висотомір.

Технічна простота супутника та наявність тільки одного інструмента в арсеналі дозволили добряче зекономити на його виробництві. Головним розробником та виробником супутника стала Лабораторія прикладної фізики Університету Джонса Гопкінса. Конструкцію висотоміра вдосконалили порівняно з Seasat-1, прилад отримав і надійнішу електроніку. Окрім цього, GEOSAT обробляв повернений радіосигнал (відлуння) одразу на борту завдяки інтеграції бортового мікрокомп’ютера.

Військовий океанографічний супутник дістався орбіти 12 березня 1985 року на ракеті Atlas E та працював там п’ять років поспіль, до 1990-го. Його місія була розбита на два основні етапи. Військова геодезична місія (режим GM) тривала 18 місяців (з квітня 1985 до вересня 1986 року) — тоді GEOSAT склав найбільш деталізовану мапу гравітаційного поля Землі. Щойно перший етап геодезичної місії було виконано, а потреби військового флоту — задоволені, GEOSAT перейшов до другого етапу. Цивільна місія спостереження за океаном (режим ERM) зайняла понад три роки, зібрані під час неї дані пізніше оприлюднили і зробили доступними для світової наукової спільноти. Працюючи в режимі ERM, GEOSAT став другим супутником після Seasat-1, який надав детальні відомості для моніторингу змін рівня моря — ключового індикатора у питанні дослідження кліматичних змін.

Досвід американського GEOSAT надихнув Європейське космічне агентство (ESA), в результаті чого з’явився концепт океанографічного супутника European Remote Sensing Satellite 1 (ERS-1). На відміну від GEOSAT, ERS-1 був розроблений як багатофункціональна платформа, зосередившись на використанні мікрохвильових активних сенсорів (SAR, скаттерометр), які дозволяли йому збирати дані незалежно від хмарності чи добових циклів.

В арсеналі супутника налічувалося одразу п’ять інструментів для спостереження за океанами та полярними льодовими шапками:

1. Active Microwave Instrument (AMI) — активний мікрохвильовий прилад, що працював у двох основних режимах: радара із синтезованою апертурою (SAR) та скаттерометра вітру (Wind Scatterometer).
2. Radar Altimeter (RA) — радіолокаційний висотомір, подібний до встановленого на GEOSAT.
3. Along-Track Scanning Radiometer (ATSR) — радіометр сканування вздовж вектора руху супутника, призначений для вимірювання температури на поверхні води.
4. Microwave Radiometer (MWR) — пасивний мікрохвильовий радіометр, який використовувався для визначення вмісту водяної пари та рідкої води в атмосфері. Отримані дані були критично важливими для атмосферної корекції даних висотоміра.
5. Precise Range And Range-rate Equipment (PRARE) — система точного визначення орбіти, яка була потрібна для досягнення максимальної точності даних супутникового висотоміра.

У перші чотири роки своєї місії ERS-1 зосередився на дослідженні поверхні земних океанів, фіксації змін океанічних течій, відстеженні глобального рівня зміни моря (одразу на 10 часових проміжках). SAR, встановлений на супутнику, став незамінним приладом для систематичного моніторингу товщини морського льоду і льодових щитів у Гренландії та Антарктиді.

Згодом в ESA вирішили посилити можливості ERS-1, запустивши 21 квітня 1995 року його брата-близнюка — ERS-2. Незабаром після виведення на орбіту другого супутника розпочалася коротка тандемна місія космічних апаратів, під час якої були застосовані методи радіолокаційної інтерферометрії (InSAR). Нова парна методологія дозволила створити надзвичайно точні цифрові моделі висоти поверхні (DEM) та вимірювання мінімальних рухів ґрунту, які можна було помітити після землетрусів.

Таким чином тандемна місія ERS-1/ERS-2 вийшла далеко за межі океанографічних спостережень. Парні дослідження продовжувалися до березня 2000 року, коли через відмову системи керування орієнтацією ERS-1 не зміг увійти в режим аварійного енергозбереження. Супутник не спромігся виконати маневр розвороту своїх сонячних батарей до нашої зорі для підзарядки акумуляторів. Утім, ERS-1 майже втричі перевершив свій запланований трирічний термін служби, загалом пропрацювавши 8,5 років. Його брат-близнюк ERS-2 продовжував свою моніторингову місію аж до вересня 2011 року.

Співпраця на межі тисячоліть: американсько-французький Topex/Poseidon

Станом на 1992 рік і США, і Європа мали власний досвід запусків та експлуатації океанографічних супутників, але попереду на обидва континенти чекала перша співпраця у супутниковій океанографії. Над місією під назвою TOPEX/Poseidon працювали як співробітники американського NASA, так і фахівці Французького космічного агентства (Centre national d’études spatiales, CNES).

Ідея організації подібної місії з’явилася на межі 1970-х і 1980-х років, одразу після того як технічна аномалія спіткала Seasat-1 та призвела до його втрати. Головним ініціатором виступила американська програма Ocean Topography Experiment (TOPEX). Місія була прямим продовженням наукових розробок, розпочатих в Seasat-1, адже в неї були залучені науковці з JPL, які свого часу створили перший океанографічний супутник. Французькі фахівці з CNES виступили в якості ключового міжнародного партнера місії, запропонувавши власний компактний та інноваційний радіолокаційний висотомір Poseidon.

Таким чином космічний апарат TOPEX/Poseidon отримав одразу два радіочастотних висотоміри:

• TOPEX. Двочастотний радар працював одночасно в двох частотних діапазонах (С та Ku). Це дозволило ефективно коригувати затримку сигналу, спричинену іоносферою, що стало ключем до значно вищої точності, порівняно з попередніми супутниками для океанографії.
• Poseidon-1. Одночастотний, більш компактний та менш енергоємний радар виробництва CNES слугував здебільшого для перевірки надійності нових мініатюрних технологій, водночас поставляючи на Землю уточнену інформацію, що надходила від TOPEX.

Для успіху місії дуже важливо було вивести супутник на високу орбіту з точним циклом повторення. Саме тому TOPEX/Poseidon вирішили розмістити за 1336 км над Землею із циклом повторного прольоту кожні 10 днів. Для групи вчених, які керували проєктом, така точність у циклах орбітального повторення була важлива, щоб відрізняти сталу форму геоїда Землі від змінних топографічних сигналів, які могли спричиняти океанські течії, припливи тощо.

Супутникову місію TOPEX/Poseidon вивели на орбіту 10 серпня 1992 року. Одразу після того як вона розпочала надсилати на Землю перші дані своїх спостережень, по обидва боки Атлантики усвідомили — розроблено новий золотий стандарт у сфері супутникової океанографії. Точність виміру рівня моря сягала 4,2 см, що було феноменальним результатом для супутникових сенсорів.

Супутник регулярно відстежував найдрібніші зміни у масштабних течіях, таких як Гольфстрім і Куросіо, а також їхні менші, але енергійні вихори, покращуючи океанське моделювання та прогноз погоди. Висока точність і постійне глобальне охоплення дозволили створити одні з найкращих у світі моделей океанських припливів. Саме TOPEX/Poseidon вперше зміг визначити середній глобальний темп підвищення рівня світового океану, а на межі 1997-1998 років він спрогнозував потужну кліматичну подію — вирій ураганів Ель-Ніньйо та Ла-Нінья.

Початково запланований термін експлуатації у 3-5 років TOPEX/Poseidon неабияк перевищив — супутник офіційно завершив свою місію лише 18 січня 2006 року (хоча фактично був деактивований ще у жовтні 2005-го). Причиною закінчення місії стала аномалія в системі орієнтації, яка завадила апаратові дотримуватися точної орбіти. Океанографічний супутник став яскравим взірцем науково-технологічної синергії між американськими технологіями точної альтиметрії (TOPEX) та французькими інноваціями в мініатюризації радіочастотних висотомірів (Poseidon).

У ХХІ сторіччі на орбіту вирушить ціла низка супутникових місій з космічного моніторингу океанічних вод та полярних льодовиків. Саме вони допоможуть науковому товариству розплющити очі на проблематику змін клімату та глобального потепління. Отже, про серію океанографічних супутників JASON, Sentinel-6 і сучасні методи супутникової океанографії — читайте незабаром у продовжені цього матеріалу.

Джерело: MaxPolyakov.space

Читайте також:

Війна в Україні стимулює розвиток супутників зі штучним інтелектом 

Супутникове зондування Землі – становлення і розвиток 

Моніторинг і протидія зміні клімату: як космічні технології можуть допомогти Землі охолонути