Космічна океанологія: вид зверху на таємниці Світового океану
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
З початком епохи підкорення космосу океанологи отримали можливість спостерігати великий об’єкт своїх досліджень з нової точки зору – стало можливо вивчати океан із супутників. Простір стягнувся до осяжних об’єктів, перетворився на живий глобус, і тоді старі проблеми стало можливим вирішувати новими методами. Для геофізика немає ніякої антитези в зіставленні слів – океан і небо. Від «відносин» цих стихій дуже багато залежить на планеті, а відносини ці родинні, як споріднені і науки, які їх вивчають. У них схожа методика, схожі і труднощі, а труднощі зводяться в основному до вкрай незручної для дослідників властивості обох стихій — складним відносинам між ними, їх мінливості, що погано піддається обліку.
Тисячі причин і наслідків утворюють тут вузол, який не можна розрубати і майже неможливо розплутати. І скільки б даних не повідомляли океанографічні кораблі, як би не працювала апаратура численних буйкових станцій — кількісної інформації про Світовий океан і атмосферу над ним завжди недостатньо. А без неї найсміливіший політ наукової думки застряє на рівні непідтверджених гіпотез. Так що фізиці атмосфери і океанології потрібні не сенсації, потрібні прозові дані. Супутники полегшили роботу, супутники дали надію на більш легкі способи отримання цих даних. Ось в цілому дуже потрібні і науці і господарству результати, яких чекають від своєї власної «космічної ери», що почалася в океанології.
Завідувач лабораторією Матвій Семенович Малкевич – початківець океанолог. Але свою докторську дисертацію він захистив з проблеми, дуже близької новій спеціальності – фізика атмосфери, точніше, вивчення атмосфери і океану за допомогою супутників.
– Нам потрібні цифри, – розповідає Матвій Семенович про проблеми, що стоять перед його співробітниками. – Тільки тоді від якісної картини можна буде перейти до розрахунків, використовуючи математичні залежності між різними океанськими і атмосферними характеристиками, повноцінніше користуватися допомогою обчислювальної техніки.
Одне з найістотніших завдань – навчитися складати температурну карту океану. Здавалося б, з супутника йому легко поставити градусник. Адже ще в середній школі проходять закони Планка і Стефана—Больцмана, що зв’язують температуру з випромінюванням так званих абсолютних чорних тіл, які поглинають все падаюче на них випромінювання. Останнє легко міряється з висоти, цю роботу вже не раз проробляли супутники серії «Космос» і «Метеор». І все ж таке просте на вигляд завдання, як вимірювання температури океану з високим ступенем точності (з помилкою не більше 1°С), на практиці виявляється досить складним.
По-перше, досі не ясно, про яку температуру йде мова. З супутників можна вимірювати лише температуру поверхні океану, тобто шару товщиною в кілька десятків мікрон. Виміряти температуру такого шару звичайними методами, з корабля, де океанська вода під рукою, далеко не просто. Термометр, як правило, має товщину дещо більшу, а, головне, океан — дуже «непосидючий» об’єкт, шари води постійно перемішуються. По-друге, з супутника вимірюється не справжня, а радіаційна температура, температура умовного абсолютно чорного тіла, яке б випромінювало стільки ж енергії, скільки і дають свідчення з супутника. Так як абсолютне чорне тіло не збігається за своїми оптичними властивостями з блакитним океаном, доводиться вносити поправки за допомогою характеристик випромінювання. Отримати ці характеристики з космосу неможливо, а в традиційній океанографії вони досліджені недостатньо.
По-третє, і це найважливіше, вся інформація, здобута супутником, в тому числі і інформація про температуру океану, носить непрямий характер. Адже власне випромінювання океану, або випромінювання Сонця, відбите океаном, має пробитися через атмосферу, яка вносить досить значні спотворення. Значить, щоб виділити потрібні відомості, необхідно вивчати властивості атмосфери, особливо над світовими акваторіями. А це теж проблема непроста, так як до недавнього часу основна маса подібних досліджень проводилася над сушею. Крім того, потрібно навчитися обміряти одночасно і океан, і атмосферу. Лише в цьому випадку можна сподіватися на необхідну точність.
Помилилися океанологи у вимірах, скажімо, температури Атлантики на пару градусів, це може спричинити неправильний прогноз погоди для величезної території Європи і навіть Азії.
Всім зрозуміла важливість іншої частини нагальної роботи, з якої складаються будні океанології, — вивчення запасів і врожайності планктону в Світовому океані. Це знову-таки можна робити з супутників. Яскравість океану, виміряна зверху в декількох ділянках видимого діапазону спектра, дозволить судити про те, яка концентрація хлорофілу у воді, настільки впливає на наше земне благополуччя. Але для цього слід вивчити оптичні властивості морської води, зв’язки характерності відображенню поверхні океану з концентрацією хлорофілу. Для надійного вирішення і цього завдання важливе значення має облік атмосфери: її яскравість набагато більше яскравості океану, так що потрібна інформація повинна добуватися, немов зображення з засвіченої плівки.
Зате, до речі, ті ж методи можуть бути застосовані і для визначення інших домішок в океані, зокрема забрудненості його поверхні.
Серед багатьох завдань, до вирішення яких космічна океанологія тільки приступає, слід зазначити ще два. По-перше, визначення спектру хвилювання океану. З супутника картина океанських хвилювань – і тайфун, і шторм, і брижі, і мертвий штиль — складається, як мозаїчний портрет. Його легко сфотографувати. Вийде плоска картина, і якби вдалося її повернути до тривимірного вигляду, але вже математичним способом, підсумувати отримані в результаті дані про крутизну і висоту хвиль, то стало б ясно, скільки енергії розподіляється «по морях, по хвилях».
Друге завдання, глобальне вже в буквальному сенсі слова. Це встановлення точної форми геоїда. З тих пір, як стало відомо про те, що земна куля — зовсім не куля, її назвали геоїдом. Хотілося б дослідникам тепер дізнатися, що це таке. Супутники і тут розширили як наші можливості, так і реальне знання. Наприклад, вдалося встановити, що в районі горезвісного Бермудського трикутника все-таки є аномалія, — правда, зовсім не містичної властивості, — рівень океану там відхилився «від рівня моря» на двадцять п’ять метрів. Це величезна величина.
Цунамі наганяють хвилі висотою всього в кілька метрів, зате на великих площах. Було б дуже корисно точніше зафіксувати подібного роду височини в морі, так як вони впливають на морські течії, відводячи їх часом в сторону на десятки і сотні кілометрів.
Ми дожили до часу, коли супутники стають найдешевшим способом збору даних на великих просторах океану, там, де ці дані інакше довелося б збирати по крихтах.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.