Корабельные следы и спутник PACE

На этом спутниковом снимке, сделанном прибором MODIS в северной части Тихого океана 4 марта 2009 года, хорошо видны так называемые корабельные следы (см. Ship tracks). Эти необычные облака образуются, когда водяной пар конденсируется вокруг взвешенных в атмосфере частиц (ядер конденсации), из которых состоят выхлопные газы проходящих по океану судов. В качестве таких частиц выступают главным образом соединения серы, содержащиеся в мазуте — наиболее распространенном корабельном топливе. Не следует путать корабельные следы с конденсационными, образующимися за пролетающими самолетами: несмотря на некоторое внешнее сходство, механизмы этих двух явлений различны.

Как правило, корабельные следы плохо видны невооруженным глазом: лучше всего они различимы на спутниковых снимках, сделанных в инфракрасном диапазоне. Их можно увидеть даже в облачную погоду, когда они «прячутся» внутри других облаков, отличаясь от них яркостью. Океан — подходящая «площадка» для наблюдения за корабельными следами: воздух над крупными водными пространствами менее подвержен турбулентности, чем над сушей, благодаря чему такие следы могут сохраняться на протяжении нескольких дней.

Фотографии корабельных следов из космоса очень красивы, но наблюдение за ними представляет не только эстетический интерес. Судовые выхлопы являют собой частный случай аэрозолей — мелких частиц, взвешенных в атмосфере. Эти частицы, которые могут иметь как естественное, так и искусственное происхождение, поглощают и рассеивают поступающее в земную атмосферу излучение и таким образом влияют на количество солнечной энергии, достигающей Земли. Как правило, они работают как своеобразная теплозащита, ослабляя нагрев расположенных под ними слоев воздуха и земной поверхности. Однако в некоторых случаях аэрозоли, наоборот, повышают температуру.

Помимо прямого взаимодействия с солнечным излучением, аэрозоли влияют на образование и эволюцию облаков, от которых также зависит погода. В частности, конденсация водяного пара на аэрозольных частицах увеличивает альбедо облаков, то есть их отражательную способность, — и, соответственно, снижает температуру воздуха под ними; это явление получило название эффекта Туми (см. Twomey effect). От содержания аэрозолей зависит и качество воздуха, которым мы дышим.

Один из видов аэрозолей — это вулканический пепел. На фото — пепел вулкана Редаут на Аляске под электронным микроскопом. Фото с сайта nsf.gov

Изучение аэрозолей и их взаимодействия с облаками помогает лучше понять их влияние на климат и процессы теплообмена в земной атмосфере, повысить точность прогнозов погоды и сделать более эффективными усилия по борьбе с загрязнением воздуха. Сегодня на орбиту был выведен космический аппарат дистанционного зондирования Земли РАСЕ (Plankton, Aerosol, Cloud, ocean Ecosystem), разработанный в Центре космических полетов имени Годдарда. Ожидается, что аппарат поможет получить новые результаты в этой области.

Транспортировка спутника PACE, заключенного в головной обтекатель ракеты Falcon 9, на стартовую площадку 1 февраля 2024 года. Примечательно, что для многоразовой первой ступени ракеты этот пуск стал уже четвертым (и вероятно, не последним). Фото © Ben Smegelsky с сайта blogs.nasa.gov

Данные, которые получит PACE, помогут ученым лучше понять распределение и динамику аэрозолей в земной атмосфере. Помимо изучения аэрозолей, ценную информацию даст и наблюдение РАСЕ за облаками, что также поможет в прогнозировании погоды и наблюдении за изменениями климата. Третье важное направление исследований спутника — наблюдение за фитопланктоном, то есть планктоном, способным к фотосинтезу: к нему, например, относятся многие виды водорослей. Фитопланктон — начальный элемент пищевой цепочки водного мира; поэтому изучение его распределения позволит лучше изучить динамику океанских и озерных экосистем и, например, поможет точнее спрогнозировать рыбные запасы. Сведения о фитопланктоне важны и для предприятий, занимающихся аквакультурой.

Наблюдения PACE за океанами и крупными озерами помогут также более эффективно обнаруживать и исследовать вредное цветение водорослей (см. Harmful algal bloom). Это цветение, сопровождающееся, как правило, выработкой токсинов, приводит к гибели растений и рыб и возникновению в океанах и озерах «мертвых зон», низкое содержание кислорода в которых делает их непригодными для жизни большинства ранее обитавших там видов (см. картинку дня Китовый Холм). Вредное цветение заставляет закрывать морские пляжи и загрязняет питьевую воду. В некоторых городах США, Китая и Австралии оно даже вынуждало местное население переходить на бутилированную воду в периоды интенсивного цветения.

Цветение фитопланктона в Балтийском море. Снимок сделан 23 июля 2018 года спутником Landsat 8. Фото с сайта earthobservatory.nasa.gov

Одновременное наблюдение за атмосферой и гидросферой поможет лучше понять взаимодействие этих сред. В частности, будут получены новые подробности об обмене углекислым газом между водоемами и атмосферой и о том, как аэрозоли способствуют росту и цветению фитопланктона в поверхностных водных слоях, а фитопланктон выделяет в атмосферу диметилсульфид и другие органические соединения, способствующие образованию облаков.

Все эти задачи PACE будет решать с помощью трех научных приборов. Первый, OCI (Ocean Color Instrument), — спектрометр, определяющий цвет воды путем измерения интенсивности света на длинах волн 350–885 нм (этот промежуток полностью перекрывает диапазон видимого света, заходя в инфракрасную и ультрафиолетовую области), а также на нескольких длинах волн УФ-диапазона. Цвет воды определяется интенсивностью размножения фитопланктона и конкретными его видами, представленными в данном водоеме: чаще всего они зеленые благодаря пигменту хлорофиллу, но некоторые водоросли окрашены в буро-желтый или синий цвет. А вредное цветение, как правило, вызывается водорослями, имеющими красную окраску (см. Красные приливы), впрочем, «вредно» цветут и сине-зеленые цианобактерии. Таким образом, наблюдение за цветом воды дает информацию о концентрации и состоянии фитопланктона.

Лабораторные испытания OCI. Фото с сайта commons.wikimedia.org, 21 января 2022 года

Два других прибора — поляриметры HARP2 и SPEXone. Частицы, взвешенные в воздухе и воде, отражают, рассеивают и поглощают солнечный свет, что приводит к изменению его поляризации. Измеряя это изменение для волн различной длины, можно получить информацию о размере и составе частиц.

Испытания спутника 20 ноября 2023 года. Желтыми окружностями обведены спектрометры (вверху HARP2, внизу SPEXone), белой — звездный датчик, служащий для определения ориентации спутника. Прибор OCI не виден на фото. Серебристый «ковш» сверху спутника — защита расположенного за ним радиатора от космического мусора и метеороидов. Фото с сайта pace.oceansciences.org

У каждого из двух приборов свои преимущества: HARP2 обладает широкоугольным объективом, однако способен воспринимать излучение только четырех определенных длин волн, в то время как SPEXone работает со всеми длинами волн в промежутке 385–770 нм.

Покрытие земной поверхности приборами PACE на трех последовательных витках. Обратите внимание, насколько полоса захвата HARP2 шире, чем у SPExone. Участки земной поверхности, оказавшиеся «между» витками, попадут в полосу захвата на следующие сутки. Изображение с сайта pace.oceansciences.org

PACE выведен на солнечно-синхронную орбиту: обращаясь по ней, он будет проходить над каждой точкой земной поверхности практически в одно и то же местное солнечное время. Для наблюдателя, смотрящего на Землю с Солнца, такая орбита будет выглядеть неподвижной: на каждом витке спутник будет проходить по одной и той же траектории, в то время как Земля, вращаясь вокруг своей оси, будет за время оборота спутника поворачиваться на некоторый угол. Такая орбита распространена среди спутников дистанционного зондирования Земли благодаря тому, что угол падения солнечных лучей на земную поверхность, попадающую в объектив спутника, слабо меняется от витка к витку.

Миссия PACE рассчитана на три года с возможностью продления до десяти. Данные, полученные спутником, будут доступны для некоммерческого использования; Центр Годдарда предоставит программное обеспечение для их обработки и визуализации. При разработке программ для обработки снимков широко использовалось машинное обучение — в том числе нейросетевые алгоритмы, давно показавшие свою эффективность в задачах распознавания образов. Ждем первых результатов PACE!

Фото с сайта en.wikipedia.org.

Алексей Деревянкин