Космическая океанология: вид сверху на тайны Мирового океана
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
С началом эпохи покорения космоса океанологи получили возможность наблюдать обширный объект своих исследований с новой точки зрения — стало возможно изучать океан со спутников. Пространство стянулось до обозримых объектов, превратилось в живой глобус, и тогда старые проблемы стало возможным решать новыми методами. Для геофизика нет никакой антитезы в сопоставлении слов — океан и небо. От «отношений» этих стихий очень многое зависит на планете, а отношения эти родственные, как родственны и науки, которые их изучают. У них схожая методика, схожи и трудности, а трудности сводятся в основном к крайне неудобному для исследователей свойству обеих стихий — сложным отношениям между ними, их плохо поддающейся учету изменчивости.
Тысячи причин и следствий образуют здесь узел, который нельзя разрубить и почти невозможно распутать. И сколько бы данных ни сообщали океанографические корабли, как бы ни трудилась аппаратура многочисленных буйковых станций,— количественной информации о Мировом океане и атмосфере над ним всегда недостаточно. А без нее самый смелый полет научной мысли застревает на уровне неподтвержденных гипотез. Так что физике атмосферы и океанологии нужны не сенсации, нужны прозаические данные. Спутники облегчили работу, спутники дали надежду на более легкие способы получения этих данных. Вот в целом очень нужные и науке и хозяйству результаты, которых ждут от начавшейся в океанологии своей собственной «космической эры».
Заведующий лабораторией Матвей Семенович Малкевич — начинающий океанолог. Но свою докторскую диссертацию он защитил по проблеме, очень близкой новой специальности — физика атмосферы, точнее, изучение атмосферы и океана с помощью спутников.
— Нам нужны цифры,— рассказывает Матвей Семенович о проблемах, стоящих перед его сотрудниками.— Только тогда от качественной картины можно будет перейти к расчетам, используя математические зависимости между различными океанскими и атмосферными характеристиками, полноценнее пользоваться помощью вычислительной техники.
Одна из самых существенных задач — научиться составлять температурную карту океана. Казалось бы, со спутника ему легко поставить градусник. Ведь еще в средней школе проходят законы Планка и Стефана — Больцмана, связывающие температуру с излучением так называемых абсолютных черных тел, которые поглощают все падающее на них излучение. Последнее легко меряется с высоты, эту работу уже не раз проделывали спутники серии «Космос» и «Метеор». И все же такая простая на вид задача, как измерение температуры океана с высокой степенью точности (с ошибкой не более 1°С), на практике оказывается весьма сложной.
Во-первых, до сих пор не ясно, о какой температуре идет речь. Со спутников можно измерять лишь температуру поверхности океана, то есть слоя толщиной в несколько десятков микрон. Измерить температуру такого слоя обычными методами, с корабля, где океанская вода под рукой, далеко не просто. Термометр, как правило, имеет толщину несколько большую, а, главное, океан — очень «непоседливый» объект, слои воды постоянно перемешиваются. Во-вторых, со спутника измеряется не истинная, а радиационная температура, температура условного абсолютно черного тела, которое бы излучало столько же энергии, сколько и дают показания со спутника. Так как абсолютное черное тело не совпадает по своим оптическим свойствам с голубым океаном, приходится вносить поправки с помощью характеристик излучения. Получить эти характеристики из космоса невозможно, а в традиционной океанографии они исследованы недостаточно.
В-третьих, и это самое важное, вся информация, добытая спутником, в том числе и информация о температуре океана, носит косвенный характер. Ведь собственное излучение океана, или излучение Солнца, отраженное океаном, должно пробиться через атмосферу, которая вносит весьма значительные искажения. Значит, чтобы выделить нужные сведения, необходимо изучать свойства атмосферы, особенно над мировыми акваториями. А это тоже проблема непростая, так как до недавнего времени основная масса подобных исследований проводилась над сушей. Кроме того, нужно научиться обмерять одновременно и океан, и атмосферу. Лишь в этом случае можно надеяться на требуемую точность.
Ошибись океанологи в измерениях, скажем, температуры Атлантики на пару градусов, это может повлечь неправильный прогноз погоды для огромной территории Европы и даже Азии.
Всем понятна важность другой части насущной работы, из которой состоят будни океанологии, — изучения запасов и урожайности планктона в Мировом океане. Это опять-таки можно делать со спутников. Яркость океана, измеренная сверху в нескольких участках видимого диапазона спектра, позволит судить о том, какова концентрация хлорофилла в воде, столь влияющего на наше земное благополучие. Но для этого следует изучить оптические свойства морской воды, связи характерности отражению поверхности океана с концентрацией хлорофилла. Для надежного решения и этой задачи важное значение имеет учет атмосферы: ее яркость гораздо больше яркости океана, так что нужная информация должна добываться, словно изображение с засвеченной пленки.
Зато, кстати, те же методы могут быть применены и для определения других примесей в океане, в частности загрязненности его поверхности.
Среди многих задач, к решению которых космическая океанология только приступает, следует отметить еще две. Во-первых, определение спектра волнения океана. Со спутника картина океанских волнений — и тайфун, и шторм, и рябь, и мертвый штиль — складывается, как мозаичный портрет. Его легко сфотографировать. Получится плоская картина, и если бы удалось ее вернуть к трехмерному виду, но уже математическим способом, просуммировать полученные в результате данные о крутизне и высоте волн, то стало бы ясно, сколько энергии распределяется «по морям, по волнам».
Вторая задача, глобальная уже в буквальном смысле слова. Это установление точной формы геоида. С тех пор, как стало известно о том, что земной шар — вовсе не шар, его назвали геоидом. Хотелось бы исследователям теперь узнать, что это такое. Спутники и здесь расширили как наши возможности, так и реальное знание. Например, удалось установить, что в районе пресловутого Бермудского треугольника все-таки есть аномалия, — правда, вовсе не мистического свойства, — уровень океана там отклонился «от уровня моря» на двадцать пять метров. Это огромная величина.
Цунами нагоняют волны высотой всего в несколько метров, зато на больших площадях. Было бы весьма полезно поточнее зафиксировать подобного рода возвышенности в море, так как они влияют на морские течения, уводя их порой в сторону на десятки и сотни километров.
Мы дожили до времени, когда спутники становятся самым дешевым способом сбора данных на больших пространствах океана, там, где эти данные иначе пришлось бы собирать по крохам.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.