Сканировал и обработал Юрий Аболонко (Смоленск)

НОВОЕ В ЖИЗНИ, НАУКЕ, ТЕХНИКЕ

ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ

КОСМОНАВТИКА, АСТРОНОМИЯ

9/1990

Издается ежемесячно с 1971 г.

Ф. С. Ортенберг,
Ю. М. Трифонов

ОЗОН: ВЗГЛЯД ИЗ КОСМОСА
(Космический мониторинг атмосферного озона)


В ПРИЛОЖЕНИИ ЭТОГО НОМЕРА:

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ: СОЗВЕЗДИЕ БЛИЗНЕЦОВ
ХРОНИКА ПИЛОТИРУЕМОЙ КОСМОНАВТИКИ
ПЛАНЫ, ПРОЕКТЫ, ПРОГНОЗЫ



Издательство «Знание» Москва 1990

ББК 22.654.1
О-69

Редактор ВИРКО И. Г.

СОДЕРЖАНИЕ

Ортенберг Ф. С., Трифонов Ю. М.

Озон: взгляд из космоса. – М.: Знание, 1990.– 64 с., ил. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»; № 9).

ISBN 5-07-001482-Х

15 к.

В брошюре изложены современные представления об озоносфере Земли. В последние годы озоносфера стала исследоваться с помощью искусственных спутников Земли. Описанию спутниковых методов исследования атмосферного озона и принципов построения соответствующей аппаратуры дистанционного зондирования посвящена значительная часть брошюры, доступной широкому кругу читателей, интересующихся проблемами экологии и космической техники.

1605050000ББК 22.654.1

ISBN 5-07-001482-Х© Ортенберг Ф. С., Трифонов Ю. М., 1990 г.

ВВЕДЕНИЕ

Газообразный озон, открытый в середине прошлого века, долгое время привлекал внимание ученых лишь своими уникальными химическими и физическими свойствами. Интерес к озону существенно возрос после того, как выяснилась его распространенность в земной атмосфере и та особая роль, которую он играет в защите всего живого от воздействия опасного ультрафиолетового излучения. Особенно активно атмосферный озон стал изучаться в последние десятилетия. Если раньше атмосферным озоном занимался ограниченный круг специалистов в области метеорологии и аэрономии, то в настоящее время число ученых, занятых исследованиями и контролем озона в атмосфере, значительно увеличилось. Это обусловлено, с одной стороны, всеобщим беспокойством, связанным с растущим загрязнением природной среды и, с другой стороны, сенсационными заявлениями в широкой печати. Гипотезы о возможном разрушении стратосферного озона под действием выброса в атмосферу выхлопных газов от двигателей сверхзвуковых самолетов, фреонов, использования удобрений, извержений вулканов и т. д. неоднократно описывались в литературе. Поскольку озон задерживает активное излучение Солнца, то разрушение озонного слоя может привести к целому ряду негативных последствий для растений, животных, человека. Однако мнения различных групп специалистов о воздействии антропогенных факторов на озоносферу и прогнозы ожидаемых биологических эффектов существенно отличаются. Если некоторые ученые считают, что разрушение атмосферного озона представляет реальную угрозу жизни на Земле, то другие предполагают подобные рассуждения натянутыми, преувеличенными и даже ошибочными.

Такие противоречивые оценки связаны с тем, что наши знания о закономерностях образования, переноса и разрушения атмосферного озона явно недостаточны. И обусловлено это не только сложностью самой проблемы, но и малой продолжительностью наблюдений, недостаточностью и невысокой надежностью данных о содержании и распределении озона в атмосфере. Изучение такого сложного природного феномена, каким является озоносфера Земли, требует длительных точных измерений как наземными, так и спутниковыми средствами.

Особую озабоченность и тревогу людей вызвали сообщения о снижении концентрации озона над Антарктидой. Сведения об аномалиях в содержании озона над шестым континентом совпали с волной невиданного ранее экологического бума и привлекли внимание широких слоев населения к значимости общепланетарных процессов для выживания человечества.

Озоносфера – одна из поверхностных оболочек нашей планеты. Она является составной частью биосферы Земли, включающей в себя совокупность живых организмов и неорганического вещества, находящихся в общем круговороте. Тысячи нитей связывают поверхностные оболочки планеты в единый живой организм. Долгие годы мы жили иллюзией, что современная наука и техника помогают нам стать независимыми от природных условий. Сейчас мы понимаем, что любые антропогенные воздействия на нашу планету создают суммарный эффект, значимость которого намного превышает влияние отдельных компонентов. Стало расхожим перефразированное изречение: мы сейчас не можем ждать милости у природы после того, что с ней сделали.

В ряду тревожных проблем – сдвиги в мировом климате, истощение лесных, почвенных и водных ресурсов, прогрессирующее опустынивание планеты – находится и проблема разрушения озонного слоя. Возможно, что антарктический озон является предвестником глобальных изменений в озоносфере.

К изучению процессов, связанных с атмосферным озоном, привлечены значительные силы ученых у нас в стране и за рубежом. Проводятся широкомасштабные экспериментальные и теоретические исследования озоносферы. Однако проблема атмосферного озона к настоящему времени далеко не исчерпана, и ряд важных и интересных разделов этой проблемы ждет своего разрешения, в особенности явления, связанные с влиянием на озонный слой некоторых естественных факторов и антропогенных воздействий. Для их осмысления необходимо постоянное и всеобъемлющее слежение за состоянием окружающей среды (мониторинг). Для выработки научно обоснованных выводов и прогнозирования изменений в состоянии озоносферы Земли в отдельных регионах и глобальном масштабе нужны регулярные измерения концентрации озона существующими приборами и разработка новых методов и средств наблюдений озона.

В связи с тем что атмосферный озон представляет собой результат динамического равновесия многих протекающих в атмосфере и за ее пределами процессов, перспективными становятся оптические методы дистанционного зондирования, обеспечивающие оперативный обзор всех слоев атмосферы. В СССР, США, Японии, странах Западной Европы созданы и продолжают разрабатываться космические системы контроля озонного слоя атмосферы Земли. В задачу этих систем космического мониторинга входит определение содержания озона в выделенных слоях озоносферы в глобальном масштабе с периодичностью, точностью и пространственным разрешением, недоступными другим средствам измерений.

Как устроены озонометрические приборы космического базирования? Какова методика измерений концентрации озона из космоса? Какие преимущества у космических методов исследования перед ранее применявшимися? Каковы перспективы совершенствования подобной аппаратуры? Каковы результаты спутникового анализа атмосферного озона? Вот тот круг вопросов, на которые читатель получит ответ. Однако прежде чем перейти к изложению достаточно сложных проблем глобального мониторинга озона с помощью космических аппаратов, приведем некоторые основные понятия физики, химии, метеорологии, атмосферной оптики, необходимые для понимания рассматриваемых вопросов. В первых разделах брошюры будут описаны химические и физические свойства газообразного озона, начала спектроскопии озона, далее будет рассказано о состоянии наших знаний об озоносфере, методах ее исследования.

Нельзя сказать, что популярная литература по данной теме отсутствует. Например, состояние антарктической атмосферы неоднократно освещалось во многих источниках массовой информации. Однако в силу краткости этих сообщений часто допускались излишние упрощения. Не всегда адекватное представление о земной атмосфере могут создать, в частности, употребляемые для описания озоносферы образы озонного слоя, озонной оболочки, озонного щита, озонной брони, озонной вуали и т. п. Известные выражения «озонная дыра», «озонная брешь» ассоциируются с некими зияющими отверстиями в сплошном озонном своде. А совсем недавно (в начале текущего года) тележурналисты вообще оповестили слушателей, что целью стратосферного полета высотного самолета, осуществляющего доставку проб воздуха и газов, являются поиски «озонного решета» над Москвой, хотя ни о каком заметном снижении содержания озона в атмосфере над территорией Советского Союза и прилегающими регионами Северного полушария не может идти речь.

Авторам хотелось, чтобы в условиях беспримерной тревоги общественного мнения за судьбы природы нашей планеты, а соответственно за судьбы живущего на ней человека любая информация была предельно научной и абсолютно достоверной.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ОЗОНА

Познакомимся поближе с главным героем нашего повествования – озоном. Молекула озона О3 представляет собой относительно устойчивое соединение, состоящее из трех атомов кислорода. Каждый из нас знает, что характерный запах свежего послегрозового воздуха связан с наличием в атмосфере озона. Упоминание об этом запахе можно встретить во многих литературных произведениях, начиная, например, с такого древнего источника, как «Илиада». Немецкий химик Кристиан Фридрих Шенбейн, с именем которого связывают открытие озона в 1840 г., за специфический «хлорный» запах дал новому веществу название «озон» (ozon – пахнущий). В дальнейшем было показано, что озон является видоизменением кислорода, и установлена трехатомность молекулы озона. При обычных температурах озон – газ светло-голубого цвета, при пониженных температурах он превращается в жидкость индиго-голубого цвета с температурой кипения 111,9°С, в твердой фазе озон образует игольчатые кристаллы густого фиолетово-голубоватого цвета с температурой плавления 192,5°С. Способность озона О₃ и молекулярного кислорода О₂ сосуществовать в трех агрегатных состояниях является одной из исключительных особенностей. Чистый озон во всех трех агрегатных состояниях взрывчат.

Рис. 1. Структура молекулы озона

Молекула озона нелинейна и имеет структуру треугольника с тупым углом при вершине и равными межъядерными расстояниями (рис. 1). Процесс образования озона из кислорода можно записать в следующем виде:

При образовании озона тепло поглощается, при разложении – выделяется. При нормальной температуре и давлении реакция протекает крайне медленно. Связано это с той важной ролью, которую играет атомарный кислород в реакции образования озона:

При высоких температурах озон разрушается, равновесие реакции сдвигается влево в сторону образования больших концентраций атомарного кислорода, при низких температурах равновесие сдвигается вправо в сторону образования озона, но концентрация атомарного кислорода при таких температурах низка, и следовательно, озон также не образуется. Поэтому для получения озона благоприятными являются невысокие температуры и наличие дополнительного неравновесного количества атомарного кислорода. Источником последнего может служить диссоциация молекул кислорода под воздействием потока частиц, электромагнитного облучения, электрического разряда и др. Именно эти принципы лежат в основе работы озонаторов, предназначенных для получения и использования озона в практических целях. Например, электросинтез озона в барьерном разряде основан на диссоциации молекул кислорода под воздействием энергии электрического разряда в диэлектрическом промежутке. Образующийся в процессе диссоциации атомарный кислород соединяется с молекулой кислорода в присутствии любой частицы (кислород, азот), превращаясь в озон, который, в свою очередь, реагируя с атомами кислорода, превращается в молекулярный кислород. Таким образом обеспечивается подвижное равновесие образования и распада озона, ограничивающее выход озона в такого рода озонаторах 5 – 7%. Следует отметить, что представленное описание синтеза озона в озонаторе носит схематичный характер. В действительности получение озона сопровождается большим числом дополнительных химических процессов, зависит от таких факторов, как температура, влажность, скорость подачи обрабатываемого воздуха или кислорода, конструктивных особенностей устройства и т. д.

Физически молекула озона является стабильной, т.е. она самопроизвольно не разлагается. При небольших концентрациях и отсутствии в газе примесей озон разлагается довольно медленно. Однако при повышении температуры, увеличении добавок некоторых газов (например, NO, Cl₂, Br₂, I₂ и др.), при воздействии излучений и потоков частиц скорость разложения газообразного озона значительно увеличивается. Нестабильность озона – одно из основных его химических; свойств. Другое основное свойство – его сильная окислительная способность (уступает только F). Высокая активность озона как окислителя и способность его реагировать со многими соединениями нашли широкое практическое применение. Кроме того, он обладает рядом ценных свойств как дезинфектант и дезодорант. Наиболее важными областями использования озона можно считать очистку и обеззараживание питьевой и промышленной воды и стоков, обесцвечивание, нейтрализацию вредных ядовитых веществ, устранение неприятных запахов, дезодорацию и очистку промышленного воздуха, озонирование в системах кондиционирования воздуха, переработку и хранение пищевых продуктов и кормов, стерилизацию перевязочных материалов, терапию и медицинскую профилактику различных заболеваний.

Поскольку основным естественным источником поступления озона в атмосферу являются процессы, происходящие при поглощении света, рассмотрим некоторые их детали.

Фотохимическая реакция, приводящая к образованию озона и состоящая из серии событий, начиная от поглощения света молекулой кислорода и кончая образованием стабильных молекул, разделяется на первичные и вторичные процессы. Первичный процесс включает первоначальный акт поглощения света молекулой, приводящий ее в возбужденное состояние, с последующим ее разрушением, результирующими продуктами которого являются два атома кислорода. Как известно, и атомы и молекулы могут находиться только в некоторых дискретных энергетических состояниях, определяемых квантовомеханическими закономерностями. Так, для атома кислорода возможно его существование в состояниях, обозначаемых символами ³Р, ¹D, ¹S, где состояние атома О(³Р) является нормальным, а состояния О(¹D) и O(¹S) – возбужденными. Энергия связи атомов в молекуле кислорода составляет 5,115 эВ. Чтобы «разрубить» молекулу кислорода, необходим световой квант с энергией, равной энергии связи атомов в молекуле. При поглощении такого кванта молекула кислорода диссоциирует на два нормальных атома. Под действием света с меньшей длиной волны (соответственно большей энергией кванта) при диссоциации молекулы О₂ продуктами распада будут возбужденные атомы кислорода. Пороговые длины волн поглощаемого излучения, при которых происходит фотодиссоциация молекулярного кислорода, таковы:

Таким образом, при облучении газообразного кислорода ультрафиолетовым излучением могут быть получены значительные концентрации атомарного кислорода. Помимо атомов кислорода, в результате облучения возникают возбужденные его молекулы. Все эти активные частицы вступают во вторичные реакции, аналогичные процессу (2), с образованием конечного продукта – озона. Описанный принцип лежит в основе работы фотохимических озонаторов, в которых диссоциация кислорода производится ультрафиолетовым излучением, создаваемым специальной разрядной лампой. В силу обратимости реакции (2) параллельно с образованием озона происходит его разрушение. Равновесная концентрация озона, достигаемая в подобных озонаторах, не превышает 1 – 2% по объему. Для сравнения упомянем, что в воздухе находится ничтожное, как говорят, «следовое» количество озона (10^–6 – 10^–5% по объему).

В дальнейшем мы будем часто оперировать величинами концентраций озона в смеси газов. Помимо приведенных выше объемных процентов, в химии атмосферы используется объемная концентрация, выражаемая в частях на миллион (млн^–1) и эквивалентная 1 см³ озона в 1 м³ воздуха. Как известно, парциальное давление газа зависит от доли этого газа в смеси. Так, на уровне Земли, где давление составляет 1 атм, при концентрации озона 1 млн^–1 достигается его давление 10^–6 атм. Использование объемных единиц концентраций весьма удобно, поскольку существует прямая связь между объемом (или парциальным давлением озона) и числом его молекул. Так, например, если содержание озона в воздухе составляет 1 млн^–1, то в среднем каждая миллионная молекула будет молекулой озона. Когда содержание газа в воздухе чрезвычайно мало, имеет смысл для выражения концентраций пользоваться числом молекул в единице объема. При нормальных условиях в 1 см³ воздуха содержится 2,69 ∙ 10¹⁹ молекул. Концентрация озона, равная 1 млн^–1, в этих единицах будет составлять 2,69 ∙ 10¹³ см^–3. Иногда концентрация озона выражается в единицах массы (микрограммах) на единицу объема воздуха (обычно мкг/м³). Для пересчета миллионных долей в плотность озона можно воспользоваться соотношением: 1 млн^–1 = 2140 мкг/м³. Термин «плотность озона» употребляется также и для обозначения толщины слоя озона, содержащегося в слое атмосферы километровой толщины, приведенного к нормальным давлению и температуре.

Наряду с вышеперечисленными единицами в метеорологии широко используется понятие общего содержания озона. Суммарный озон X – это количество озона в вертикальном столбе атмосферы, численно равное толщине слоя газообразного озона в этом столбе при нормальных условиях и выражающееся в атм ∙ см. Величину X = 10^–3 атм ∙ см часто называют единицей Добсона (Д. Е.) в честь английского исследователя атмосферного озона, который в 1931 г. создал один из первых оптических приборов для измерения суммарного озона.

Здесь уместно вновь подчеркнуть удивительно малое содержание озона в атмосфере. Если бы весь озон атмосферы Земли сосредоточить в одном слое у земной поверхности, толщина такого слоя чистого озона составила бы всего лишь 3 мм. Отметим, что при этом общая масса озона в атмосфере составляет 3 ∙ 10⁹ т.

Для завершения знакомства с основными свойствами такого экзотического объекта, как озон, упомянем о его токсикологическом воздействии на человека, животных и растительные организмы. Не вдаваясь в подробности, отметим лишь, что при определенных концентрациях наблюдается отравление человека озоном, гибель подопытных мышей, птиц при продолжительном воздействии, отрицательное действие на леса и растения даже при концентрациях, присутствующих в естественных условиях. Тем не менее в общепринятом смысле под озонированием понимают освежение, очищение. В качестве примера такого словоупотребления можно привести И. Ильфа и Е. Петрова, которые завершают описание затхлой атмосферы дворецкой словами: «Старые валенки стояли в углу и воздуха тоже не озонировали».

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОЗОНА

Энергию молекулы можно представить как сумму трех частей – электронной, колебательной и вращательной энергий. Энергетические состояния, как известно, изменяются дискретным образом. Наборы энергетических состояний индивидуальны для каждой молекулы. Переходы молекулы из одного энергетического состояния в другое сопровождаются поглощением или излучением кванта электромагнитной энергии. Спектры, возникающие при таких переходах, зависят от молекулярных постоянных излучающей или поглощающей молекулы и являются своеобразной визитной карточкой данной молекулы. Для озона переходы между различными электронными состояниями происходят при излучении или поглощении света в видимой, ультрафиолетовой и так называемой вакуумной ультрафиолетовой (ниже 2000 Å) областях спектра. Каждый электронный переход сопровождается сравнительно небольшими по энергиям изменениями колебательных и вращательных состояний молекулы, благодаря чему электронно-колебательно-вращательный спектр молекулы представляет собой систему близко примыкающих друг к другу полос. Если при поглощении света молекула достигнет возбужденного состояния, обладающего достаточной энергией для того, чтобы разорвать слабую связь в молекуле, последняя диссоциирует. Для молекулы озона энергия связи (О – О²), разрыв которой приводит к распаду озона на молекулярный и атомарный кислород, составляет 1,05 эВ.

Рис. 2. Поглощение в полосах озона

Наиболее важные полосы поглощения озона лежат в диапазоне длин волн 2000 – 3000 Å (рис. 2). Способность газа поглощать излучение количественно характеризуется коэффициентом поглощения k в законе, обычно называемом законом Беера – Ламберта:

При длинах волн более 3000 Å к полосам Хартли примыкают более слабые полосы Хаггинса и Шалона–Лефевра (рис. 2). Коэффициент поглощения в этих полосах на несколько порядков меньше, чем у полос Хартли. Отдельные близко расположенные в этих системах полосы имеют хорошо различимые резкие максимумы и минимумы. Наконец, в видимом участке спектра расположена широкая полоса Шаппюи, с которой связана синяя окраска озона. Очень сильное поглощение озона наблюдается также в области вакуумного ультрафиолета (1000 – 2000 Å). Вместе с поглощением в полосах Хартли это поглощение приводит к обрыву солнечного спектра на поверхности Земли при длинах волн меньше 2900 Å, что очень важно для защиты жизни на нашей планете от коротковолновых излучений. Отметим, что величины коэффициентов поглощения существенно изменяются с температурой (на приведенных рисунках коэффициенты поглощения измерены при 0°С).

Полосы, соответствующие колебательно-вращательным переходам в молекуле озона, расположены в инфракрасной области спектра (3 – 15 мкм). Коэффициенты поглощения в этих полосах изменяются в широких пределах. Среди сильных полос поглощения с максимумаvи около 4,75; 9,57; 14,2 мкм наибольший интерес представляет полоса при λ = 9,57 мкм, которая состоит из ряда близко расположенных спектральных линий. Эта полоса находится в «окне», свободном от поглощения водяным паром и углекислотой, и поэтому ее значение в термодинамике атмосферы носит исключительный характер.

Наконец, чисто вращательные спектры озона, как и у большинства нелинейных многоатомных молекул, наблюдаются в микроволновой области спектра (1 – 10 см).

Необходимость столь подробного описания спектров поглощения вызвана следующими двумя причинами. Во-первых, исследование спектров поглощения позволяет не только отождествить присутствие того или иного газа в смеси, но и измерить его количественное содержание. Поэтому таким способом широко пользуются в озонометрии, о чем будет рассказано в последующих разделах. Во-вторых, при поглощении света озоном происходит химическое его превращение, причем химические изменения может вызвать только тот свет, который поглощается молекулой.

Первичным процессом фотохимической реакции является диссоциация молекулы. При этом оказывается, что в зависимости от того, в каких полосах поглощения произошла фотодиссоциация, конечные продукты фотореакции могут отличаться между собой. В частности, при разложении светом озона на молекулярный и атомарный кислород в зависимости от энергии поглощенного кванта (длины волны поглощенного света) атом и молекула кислорода могут оказаться как в основных, так и в возбужденных состояниях. Мы уже упоминали о квантовых состояниях атома кислорода ³Р, ¹D, ^lS. Аналогичная символика принята в молекулярной спектроскопии для обозначения электронных энергетических состояний молекулы кислорода в основном (³∑^–g) и возбужденных состояниях (¹∆g, ¹∑⁺ g, ³∑⁺ u, ³∑^– u). Для понимания вторичных процессов, происходящих после фоторазложения озона на атом и молекулу кислорода, очень важно знать, в каких энергетических состояниях они получаются в результате первичного поглощения света.

Реакционная способность электронно-возбужденных атомов и молекул сильно отличается от их реакционной способности в основном состоянии. Для примера рассмотрим, как протекает фотодиссоциация при возбуждении в полосах Шаппюи. При поглощении красного света (~6000 Å) первичный процесс завершается разложением озона на атом и молекулу кислорода в основных состояниях:

Из рассмотренных закономерностей взаимодействия света с озоном можно сделать два важных для дальнейшего изложения вывода: 1) молекулы озона поглощают свет в широком спектральном диапазоне от вакуумного ультрафиолетового до микроволнового участков спектра, причем наиболее интенсивное поглощение наблюдается для длин волн менее 3000 Å; 2) при поглощении света озоном как в ультрафиолетовой, так и в видимой областях спектра происходит фотохимическое разрушение озона с образованием молекул кислорода.

ОЗОН В АТМОСФЕРЕ

Благодаря своим исключительным свойствам атмосферный озон является регулятором потока радиации, достигающей поверхности Земли. История его появления на Земле выглядит следующим образом. Преобразование компонентов первичной земной атмосферы – метана, воды и аммиака – в «бульон» из органических соединений, где впервые зародилась жизнь, происходило в присутствии интенсивного ультрафиолетового облучения. Однако ультрафиолетовая радиация очень опасна для чувствительного равновесия химических реакций в живых клетках, и по-видимому, первые организмы выжили только потому, что они развивались под слоем воды достаточно мощным, чтобы защитить их от ультрафиолета. В результате фотосинтетического разложения молекул воды земная атмосфера приобрела свободный кислород. Лишь с появлением кислорода, а затем и озона интенсивность ультрафиолетовой радиации на земной поверхности понизилась достаточно для того, чтобы живые организмы смогли уйти из-под защиты воды и начать заселение суши. Продолжительное существование сухопутной жизни стало возможным благодаря озонному слою – защите, которая сама явилась продуктом жизни.

Рис. 3. Вертикальная структура земной атмосферы и озоносферы

В процессе эволюции основными компонентами атмосферы стали кислород и азот. Профиль земной атмосферы представлен на рис. 3. Как видно, падение давления с высотой идет плавно и монотонно и не обнаруживает какой-либо структуры. В то же время взаимодействие излучения с веществом атмосферы приводит к развитию достаточно сложной термической структуры. По характеру изменения температуры воздуха с высотой атмосфера делится на несколько слоев. Прилегающая к земной поверхности область атмосферы (тропосфера) характеризуется понижением температуры воздуха с высотой в среднем на 6,5°С/км. В следующем (стратосферном) слое температура несколько возрастает (примерно 1°С/км) за счет поглощения ультрафиолетовой солнечной радиации озоном. В мезосфере температура непрерывно понижается с высотой (2 – 3°С/км). Выше простирается термосфера, в которой температура воздуха вновь растет с высотой, что обусловлено поглощением коротковолновой ультрафиолетовой солнечной радиации молекулярным кислородом, сопровождающимся его диссоциацией. Границы между перечисленными слоями носят названия тропо-, страто- и мезопаузы. Соотношения между малыми газовыми компонентами атмосферы различны в разных слоях. Для озона усредненная зависимость парциального давления от высоты для тропиков приведена на рис. 3 сплошной линией. Как видно из рисунка, распределение озона напоминает двухслойный «пирог», соответствующий двум слоям атмосферы. В тропосфере концентрация озона мала (1 – 4 мПа), и распределение его с высотой сравнительно однородно нарастает, в стратосфере же содержание его резко увеличивается, достигая пикового значения, а затем быстро уменьшается. Когда говорят об озонном слое, то обычно понимают область его максимальной концентрации. Высота озонного слоя зависит от широты местности и сезона. Положения максимумов озонного слоя при переходе от лета к зиме также представлены на рис. 3 пунктирными линиями. Здесь же отмечена высота максимума концентрации озона в полярной области. Вертикальное распределение озона (ВРО) в атмосфере отличается большой временной изменчивостью.

Поскольку образование озона происходит главным образом в результате фотохимических реакций в стратосфере, здесь сосредоточена его основная масса (около 85 – 89% атмосферного озона). Слой повышенной концентрации в стратосфере служит как бы экраном, не пропускающим к земной поверхности ультрафиолетовое «крыло» солнечного излучения.

Общее содержание озона (ОСО) в столбе атмосферного воздуха очень сильно зависит от широты местности. Так, например, ОСО над полюсами Земли примерно в два раза больше, чем над экватором. Кроме того, ОСО в атмосфере испытывают суточные, сезонные, годовые и многолетние (связанные с цикличностью солнечной активности) изменения. Наблюдаемая в природе толщина слоя озона меняется в широких пределах – от 70 до 760 единиц Добсона, а отклонение, например, концентрации озона в течение суток от своего среднего значения может составлять 25%.

Как ВРО, так и ОСО определяются равновесной концентрацией озона в каждом слое атмосферы и зависят от соотношения интенсивностей процессов его образования и разрушения.

Механизм образования и разрушения озона, описанный в предыдущем разделе, исходил из того, что инициирующим началом является поглощение ультрафиолетового излучения кислородом, а разрушение озона происходит под действием солнечного света видимой и ультрафиолетовой областей и в результате столкновений с атомами кислорода. Расчеты для такой кислородной атмосферы позволили получить профили вертикального распределения, близкие к реальному ВРО, хотя сами значения концентраций оказались значительно завышенными. Выяснилось, что в природной стратосфере около 80% образующегося на солнечном свету озона разрушается благодаря механизмам, требующим учета взаимодействия озона с многими малыми компонентами атмосферы. Были исследованы сотни реакций озона с составляющими атмосферу газами и показано, что наиболее эффективным веществом, разрушающим озон в каталитическом цикле, является оксид азота:

Подобные реакции можно записать и для других веществ, например для Cl:

Каждая из этих пар реакций в сумме приводит к исчезновению озона и атомарного кислорода, тогда как оксид азота и атомарный хлор постоянно восстанавливаются, т. е. каждая молекула или атом этих веществ несут ответственность за разрушение большого количества молекул озона. При включении этих реакций в модели озонного слоя расчетные величины становятся существенно реалистичней.

Теперь мы с вами понимаем, почему такое большое значение придается поступлению загрязняющих веществ в стратосферу. Ведь единственная молекула загрязняющего вещества может инициировать последовательность реакций, в которых исчезает множество молекул озона. Здесь уместно ответить подробнее на вопрос: в чем состоит жизненная важность озонного экрана? Как известно, ультрафиолетовая радиация в небольших дозах содействует образованию в организме человека и животных витамина D, способствующего усвоению организмом фосфора и образованию костей. Лечебное и профилактическое действие ультрафиолетового излучения общеизвестно. Жизнь на Земле приспособилась к той солнечной радиации, которую пропускает озон (~2900 Å), и очень чувствительна к более коротким длинам волн. Истощение слоя озона приводит к увеличению ультрафиолетовой радиации у поверхности Земли, а изменение вертикального распределения озона вызывает изменение нагревания атмосферы, а следовательно, климата. Ультрафиолетовая радиация разлагает хроматин клеточного ядра, препятствует размножению клеток, повреждает молекулы ДНК. Избыток ультрафиолета, связанный с сокращением озонного слоя, может вызывать рост раковых заболеваний кожи и уменьшить эффективность иммунной системы человека. Даже небольшое уменьшение суммарной толщины озонного экрана (например, для жителей высокогорья) заметно увеличит вероятность этих заболеваний, а понижение толщины в два раза было бы чревато необратимыми последствиями для земного генофонда.

Прямое воздействие повышенных доз ультрафиолетовой радиации на здоровье человека приводит к росту инфекционных заболеваний, поражению глаз (вызывая катаракту), увеличению вероятности заболеть раком кожи. Ультрафиолетовое излучение ограничивает рост некоторых растений, и повышенные дозы радиации могут привести к уменьшению продуктивности сельскохозяйственного производства. Отрицательно воздействует УФ-радиация на водные организмы, в частности на фито- и зоопланктон, икру рыб. Действует радиация и на небиологические объекты – разрушаются многие виды пластмасс, ухудшаются последствия загрязнения воздуха в городских и промышленных районах и т. д. В то же время в нижних десяти километрах атмосферы в последнее время отмечается рост концентрации озона, наиболее отчетливо прослеживающийся в индустриальных районах (Европа, США). О токсикологических воздействиях повышенного содержания озона на биосферу мы уже говорили. Негативное действие озона на человека наблюдается даже в стратосфере, где проходят полеты современных самолетов. На определенных высотах в салоны вместе с забортным стратосферным воздухом нагнетается значительная концентрация озона, вредного для здоровья экипажа и пассажиров.

Чтобы оценить возможные масштабы природных искажений озоносферы, рассмотрим источники поступления веществ, катализирующих разрушение озона в атмосфере. Основным источником оксида азота (NO) служит оксид диазота (N₂О), образующийся в бактериальных процессах на земной поверхности. Постепенно проникая в стратосферу, оксид диазота реагирует с атомарным кислородом (который возникает при фотолизе озона или – еще выше – при фотолизе молекулярного кислорода) с образованием NO. Другой непосредственный источник оксидов азота в стратосфере – высотная авиация, но число летающих на этих высотах самолетов относительно мало.

Основным естественным источником хлора в стратосфере является метилхлорид, но он дает лишь часть общего количества хлора, переносимого в настоящее время через тропопаузу.

В числе других естественных источников поступления хлора в стратосферу можно назвать, помимо метилхлорида (образуемого водорослями), соляную кислоту в вулканических выбросах, хлориды в составе морских солей, в числе антропогенных – перхлораты в составе твердого топлива ракет. Тем не менее по сравнению с потоком хлорфторметанов все эти источники дают относительно малый вклад.

В начале 70-х годов было установлено, что именно хлорфторметаны, используемые в аэрозольных упаковках и холодильных машинах, стали ощутимой составной частью атмосферы. Действенный механизм разрушения этих высокостабильных веществ в нижней атмосфере отсутствует, и они переносятся в стратосферу. Важнейшие из хлорфторметанов – фреоны CFCl, CF₂Cl₂ и др. – поглощают ультрафиолетовое излучение, в результате чего идут фотохимические реакции с образованием Cl.

Параллельно с каталитическим разрушением озона (реакции (4); (5)) NO и Cl принимают участие в реакциях с другими кислородсодержащими и водородсодержащими молекулами и радикалами, конечные продукты которых (в частности, HNO₃, HCl) переносятся в тропосферу и вымываются дождями. Если эти реакции, которые обеспечивают эффективное выведение NO и Сl из стратосферы, не учитывать в модельных расчетах, то влияние оксида азота и хлора на озонный слой можно переоценить.

Тот факт, что озон возникает в фотохимических процессах, означает, что скорость его образования зависит от интенсивности солнечного света. Действительно, неоднократно отмечались колебания ОСО, связанные с солнечной активностью. В результате нее может также происходить увеличение количества оксидов азота, приводящее к уменьшению озона.

Вызванные изменениями циркуляции в атмосфере сезонные вариации концентраций озона, как видно из рис. 3, в высоких широтах весьма существенны. Естественные временные вариации по сравнению с величинами ожидаемых антропогенных изменений могут быть достаточно велики. Например, при среднем глобальном содержании озона в земной атмосфере 297 Д. Е. средние месячные значения ОСО изменяются по территории и в течение года более чем в 3 раза. Все эти обстоятельства не позволили до сих пор уверенно зарегистрировать и оценить влияние результатов человеческой деятельности на озонный слой, несмотря на то что это влияние, безусловно, существует. Самые первые оценки были основаны на упрошенной модели, включающей лишь несколько реакций. В настоящее время разрабатываются все более сложные модели и крепнет убеждение в том, что при существующих темпах выбросов вряд ли стоит доверять первым оценкам, предвещавшим катастрофические последствия.

Тем не менее озонный слой может оказаться весьма чувствительным к различным воздействиям. Большие количества оксидов азота могут вноситься в атмосферу при прохождении Земли через метеорные потоки. Подсчитано, что при падении Тунгусского метеорита в Сибири в 1908 г. в атмосфере на высоте 10 – 100 км образовалось около 30 млн. т оксида азота, что примерно в 5 раз превышает содержание связанного азота во всей стратосфере. Такое громадное количество оксидов азота оказало влияние на озонный слой, подтвержденное снижением в ультрафиолетовой области прозрачности атмосферы, которая в течение 1909 – 1911 гг. медленно вернулась к исходному состоянию. Подобный эффект может создать также достаточно близкий к Солнечной системе взрыв сверхновой звезды.

Угрозу озонному слою представляют также ядерные взрывы. Незначительное снижение озона в начале 60-х годов было связано с увеличением в стратосфере оксидов азота вследствие испытаний ядерного оружия.

После прекращения ядерных испытаний ОСО вновь возросло. Этим было доказано, что ядерные взрывы в состоянии повлиять на ОСО через фотохимические реакции азотного цикла, ведущие к разрушению озона. Вспоминается карикатура из японской газеты. На безжизненной Земле рядом с разрушенными строениями стоят два инопланетянина, у их ног валяется плакат с надписью «Нет ядерной бомбе». Один из пришельцев говорит другому: «Очевидно, они в конце концов достигли всеобщего разоружения, но тут-то одна из озонных дыр и накрыла их».

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА

Возникает законный вопрос: каким образом получены сведения об озоносфере, ее строении, изменчивости? Какими методами и средствами можно определить концентрацию озона в толще атмосферы в различных географических районах земного шара?

Разумеется, описанные в предыдущем разделе закономерности распределения озона в атмосфере не плод воображения ученых, а результат многочисленных измерений содержания озона. Измерения эти проводятся систематически начиная с 30-х годов, как на поверхности Земли, так и с помощью аппаратуры, устанавливаемой на высотных самолетах, исследовательских ракетах, баллонах. По характеру взаимодействия измерительного средства с атмосферным озоном методы измерения делят на три группы:

– отбор проб воздуха из определенных частей атмосферы с их последующим исследованием в лабораторных условиях;

– контактные измерения, при которых измерительное средство взаимодействует с воздухом на месте и во время производства измерений;

– дистанционные, основанные на интерпретации измерений различных характеристик электромагнитного излучения, обусловленного присутствием озона в атмосфере.

Разработка аппаратуры и применение ее для исследований озона вылились в самостоятельную область научных знаний – озонометрию. Не будем утруждать читателя описаниями приборов, предназначенных для контроля озона в наземных, самолетных, ракетных, аэростатных условиях, тем более что нам предстоит еще ознакомление с аналогичной аппаратурой космического базирования. Чтобы составить представление о масштабах проводимых работ по контролю озона, отметим лишь, что мировая сеть только наземных озонометрических станций насчитывает сегодня 106 станций, из которых 45 расположены на территории СССР. Размещенная на них аппаратура является главным поставщиком регулярной климатологической информации об атмосферном озоне. При проведении массовых измерений озона, необходимых для получения «моментальных» глобальных картин состояния озоносферы, предпочтение отдается дистанционным методам, отличающимся высокой избирательностью, чувствительностью и точностью. Возможность установки оптической аппаратуры на искусственные спутники Земли придала дистанционным методам новый импульс. Измерения из космоса были начаты в августе 1967 г. на спутнике OGO-4, а затем продолжены в США на «Нимбусах-3, -4, -6, -7», «Тайросе-4», «Атмосферик Эксплур-5», в СССР – на спутниках серии «Метеор», «Космос», орбитальных станциях. Был разработан и испытан большой набор озонометрических приборов для получения уникальных данных о пространственно-временном состоянии озоносферы над большими территориями с хорошей периодичностью.

Рассмотрим подробнее дистанционные методы зондирования с использованием искусственных спутников Земли. Эти методы разделяются на пассивные и активные. Пассивные методы предусматривают измерение на борту ИСЗ спектрального распределения уходящего электромагнитного излучения атмосферы Земли и определение по этим данным ее материального состава.

В активных методах параметры атмосферы определяются по спектральным измерениям отраженного атмосферой электромагнитного излучения, посланного с борта ИСЗ.

Для понимания процессов, происходящих в атмосфере, рассмотрим взаимодействие электромагнитного излучения с веществом в произвольном однородном слое толщиной l. Пусть на границу этого слоя от расположенных ниже слоев поступает внешнее излучение с интенсивностью I(v, 0).

Спектр поглощения, т. е. темные линии или полосы на ярком фоне приходящего излучения, наблюдаются в лучах, выходящих из слоя, если убыль светового потока за счет поглощения больше вклада собственного теплового (спонтанного и вынужденного) излучения самого слоя. Если доминирует излучение среды, то наблюдается спектр эмиссии (испускания), т. е. яркие полосы и линии на более слабом фоне пришедшего излучения. Величиной, от которой существенно зависит характер распространения излучения в среде, является оптическая толщина на длине пути луча l, определяемая в общем случае, как

Для случая холодной среды (тепловое излучение молекул слоя отсутствует) распространение излучения в слое подчиняется приведенному ранее закону Беера–Ламберта (3).

Для оптически тонкой среды и при сплошном спектре внешнего источника спектральная кривая коэффициента поглощения вещества без искажений «воспроизводится» в спектре прошедшего через слой излучения. При этом уменьшение интенсивности излучения пропорционально оптической толщине и, следовательно, количеству поглощающих молекул в слое. С ростом оптической толщины максимум в полосе поглощения становится менее выраженным.

Аналогичная ситуация имеет место в случае горячей (самоизлучающей) среды без поступления в слой излучения от внешнего источника. Если в интересующем нас интервале частот среда является оптически тонкой, то интенсивность наблюдаемого излучения имеет распределение, пропорциональное спектральной форме линий излучающих компонент.

По мере роста оптической толщины горячей среды спектральное распределение наблюдаемого излучения начинает отклоняться от спектральной формы линии излучающей компоненты и, расширяясь, выходит на насыщение.

В связи с тем что линии поглощения обычно «сильнее» линий возбуждения и наблюдаются проще, в дистанционном зондировании компонент атмосферы (в том числе малых) используются спектры поглощения.

Атмосферу Земли мысленно можно разделить на слои с приблизительно одинаковой плотностью вещества и мало изменяющимися температурой и давлением по высоте слоя. Перенос излучения от нижних слоев атмосферы в верхние представляет значительно более сложный процесс по сравнению с рассмотренным ранее распространением излучения в однородном слое. Тем не менее простейший случай позволяет сделать важные выводы о поведении излучения в такой сложной системе, как атмосфера Земли.

Как показывают оценки, отдельные слои и атмосфера в целом являются оптически толстыми средами практически для всех веществ, присутствующих в атмосфере. В связи с этим в уходящем от Земли излучении полоса поглощения исследуемой компоненты воспроизводится в сильно деформированном виде.

Внешними источниками, излучение которых взаимодействует с веществом атмосферы и формирует уходящее излучение, являются сама Земля, нижние слои атмосферы по отношению к верхним, а также небесные тела (Солнце, Луна, звезды).

Тепловое излучение Земли и нижних слоев атмосферы зависит от температуры и излучательной способности ее поверхности, температуры окружающего воздуха и состояния облачности. Для некой усредненной температуры по поверхности Земли (~290 К) максимальное излучение Земли лежит в области длин волн 10 – 12 мкм. Собственное тепловое излучение Земли превосходит излучение всех других источников, начиная с λ = 4 мкм и больше.

Рис. 4. Спектры теплового излучения пустыни Сахара (а), Средиземного моря (б), Антарктики (в), полученные из космоса

На рис. 4 приведены спектры теплового излучения, зарегистрированные с высоты 800 км на борту ИСЗ «Нимбус-4», запущенного США в 1974 г. Спектральное распределение (а) получено над горячей песчаной поверхностью при температуре ~50°С. В полосе длин 12,8 – 13,7 мкм ярко проявляется поглощение теплового потока излучения атмосферным углекислым газом СО₂. Резкие неглубокие провалы на длинах 16 – 25 и 6,7 – 8 мкм обусловлены поглощением парами воды Н₂О. Ясно обозначена полоса поглощения озона вблизи λ = 9,6 мкм и относительно слабо вблизи λ = 7,7 мкм, обнаруживается полоса поглощения метана СН₄.

В спектральном распределении (кривая б), полученном над Средиземным морем, где температура воды составляет ~20°С, полосы поглощения упомянутых газов менее выражены, а над Антарктидой (кривая в) в участках спектра полос поглощения СО₂ и О₃ наблюдается превышение потока излучения над уровнем, соответствующим тепловому излучению поверхности Антарктиды. Приведенные кривые спектрального распределения наглядно иллюстрируют процесс переноса теплового излучения от земной поверхности в верхние слои атмосферы. Над сильно нагретыми участками Земли уходящее излучение в основном формируется тепловым излучением земных покровов и нижних слоев атмосферы. Это излучение взаимодействует с атмосферой по всей ее толщине и существенно ослабляется в тех участках спектра, где имеются полосы поглощения атмосферных газов. В случае холодной земной поверхности и нижних слоев атмосферы уходящее излучение обусловлено в основном радиацией верхних ее слоев, где содержание поглощающих атмосферных газов мало и, следовательно, мало ослабление проходящих потоков излучения.

Рис. 5. Энергетический спектр Солнца и полосы поглощения атмосферы Земли (точки). Около каждой полосы поглощения указаны поглощающие газы

Солнечные лучи, взаимодействуя с атмосферой Земли и ее поверхностью, образуют коротковолновую часть уходящего излучения. На рис. 5 представлен энергетический спектр солнечного излучения до его входа в атмосферу и на уровне моря при отсутствии облачности. На этом же рисунке дан энергетический спектр излучения абсолютно черного тела при температуре поверхности Солнца (~5900 К). Видно, что при прохождении через атмосферу энергетический спектр солнечного излучения существенно изменяется: происходит в целом его ослабление и появляются резкие провалы, обусловленные селективным поглощением атмосферными газами – парами воды, углекислым газом, кислородом, озоном и др. В частности, для озона поглощение солнечного излучения отмечается во всех рассмотренных ранее полосах его молекулы. Общее ослабление потока солнечного излучения характеризуется слабой зависимостью от длины волны; оно обусловлено рассеянием электромагнитных волн на оптических неоднородностях атмосферы, создаваемых флуктуациями ее плотности, и на содержащихся в атмосфере во взвешенном состоянии твердых и жидких частицах вещества, образующих аэрозольные и водные облака.

Коротковолновая часть уходящего излучения складывается из рассеянной атмосферой и отраженной от поверхности Земли и облачного покрова солнечной радиации.

Определить содержание газовых компонент атмосферы по спектральным характеристикам уходящего излучения можно двумя способами.

Первый связан с решением прямой задачи переноса излучения в атмосфере с привлечением данных о распределении плотности и температуры по высоте и характеристик взаимодействия электромагнитных волн с веществом. Результат решения этой задачи – спектральное распределение в уходящем излучении Земли. Меняя распределение искомой компоненты по высоте и ее общее содержание, в принципе можно достичь совпадения (с необходимой точностью) расчетного и измеренного спектральных распределений в уходящем излучении. При этом возникают две проблемы: первая связана с отсутствием уверенности, что полученное таким образом распределение плотности искомой компоненты по высоте является единственным, вторая – с большим объемом вычислений, обусловленным множеством возможных вариантов распределения плотности.

В связи с этим появляется необходимость разработки обратных методов решения этой задачи (второй способ) – определение искомой компоненты в атмосфере по спектральным характеристикам уходящего излучения, минуя многочисленные промежуточные вычисления. Математической основой этих методов является интегральное уравнение вида

Приведенное уравнение известно как интегральное уравнение Фредгольма 1-го рода и отличается тем, что не имеет единственного решения. В этом смысле решение уравнения относится к классу некорректных задач, требующих привлечения статистических методов оценки корректности полученных решений на основе накопленного массива данных об атмосфере и определяемом параметре.

Можно выделить три основных пассивных метода дистанционного зондирования озонного слоя Земли: эмиссионный метод, основанный на измерениях собственного излучения Земли и атмосферы, метод обратного рассеяния, базирующийся на измерениях рассеянного атмосферой ультрафиолетового солнечного излучения, и абсорбционный метод, связанный с измерением прозрачности атмосферы в направлении ИСЗ – источник излучения (Солнце или звезды).

Измерение излучения в этих методах осуществляется в надир или под различными углами к надиру. По тому, как направлена линия наблюдения аппаратуры относительно надира, измерения условно разделяются на лимбовые и надирные.

Рис. 6. Схемы зондирования озонного слоя Земли с ИСЗ: 1 – надирные измерения УФ рассеянного излучения Солнца (метод обратного рассеяния); 2 – измерения УФ-излучения Солнца, рассеянного под углами к надиру (метод обратного рассеяния); 3 – лимбовые измерения солнечного излучения (метод прозрачности); 4 – надирные измерения собственного излучения атмосферы (эмиссионный метод); 5 – лимбовые измерения собственного излучения атмосферы (эмиссионный метод); 6 – лимбовые измерения УФ рассеянного излучения

Схемы этих измерений приведены на рис. 6. В случае надирной схемы уходящее излучение атмосферы измеряется в вертикальном направлении или под различными углами к вертикали. При лимбовых измерениях линия наблюдения направлена на горизонт Земли. В связи с большой протяженностью трассы луча в атмосфере эти измерения позволяют определять, наряду с озоном, содержание других малых газовых компонент в ее верхних слоях.

МЕТОД ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ

Коротковолновая часть солнечной радиации, как отмечалось ранее, испытывает заметное рассеяние на молекулах и флуктуациях плотности атмосферы. Рассеяние излучения подчиняется закону Релея, согласно которому интенсивность рассеянного излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени и распределена таким образом, что в направлении распространения она в два раза больше, чем в поперечном направлении. Содержание озона даже в максимуме его высотного распределения значительно меньше концентрации основных компонент атмосферы. Поэтому поглощение солнечных лучей в полосах озона происходит постепенно, по мере «заглубления» в атмосферу. Проникающее в атмосферу излучение вызывает заметный поток рассеянной в обратном направлении УФ-радиации. Разумеется, глубина проникновения солнечных лучей в атмосферу зависит от поглощательной способности озона на данной длине волны. В области главной полосы поглощения Хартли солнечные лучи полностью поглощаются в озонном слое, интенсивность уходящей УФ-радиации в этом участке спектра определяется рассеянным верхними слоями атмосферы и поглощенным озоном солнечным излучением.

В области более слабого поглощения полосы Хиггинса солнечное излучение с ослаблением достигает поверхности Земли. На этом участке спектра уходящее излучение определяется рассеянным атмосферой и отраженным от поверхности Земли и ее облачного покрова солнечным излучением. При проектировании аппаратуры для измерения рассеянного атмосферой УФ-излучения Солнца очень важен выбор для измерений необходимого числа спектральных участков в полосах поглощения озона.

С этой целью методами математического моделирования решается прямая задача определения интенсивности рассеянного УФ солнечного излучения. Задаются: стандартное распределение давления на высоте, вертикальное распределение концентрации озона, полученное при наземных и ракетных измерениях, вертикальное распределение температуры, коэффициенты релеевского рассеяния и поглощения озона, коэффициенты аэрозольного рассеяния, альбедо подстилающей поверхности, зенитный угол Солнца и др. Результатами расчетов являются так называемые весовые функции. Эти функции характеризуют вклад рассеянного излучения от различных уровней атмосферы в общее излучение на данной длине волны, выходящее вдоль надира за пределы верхней границы атмосферы.

Рассчитанные весовые функции показывают, что в диапазоне длин волн 0,25 – 0,3 мкм УФ-излучение Солнца поглощается в озонном слое, не достигая поверхности Земли, причем каждая из длин волн в этой области имеет определенную глубину рассеяния и довольно резко выраженный относительно узкий слой эффективного рассеяния. Чем короче длина волны, тем выше располагается ее «эффективный слой». Этот участок спектра используется для определения вертикального распределения озона.

УФ-излучение в области спектра 0,3 – 0,34 мкм проникает в нижние слои атмосферы. Рассеяние на этих длинах волн захватывает практически все плотные слои атмосферы от поверхности Земли до высоты 60 км. Эта область длин волн используется для определения общего содержания озона в атмосфере.

Суммарное рассеянное излучение от всех слоев определяет интенсивность рассеянной атмосферой Земли УФ солнечной радиации. Конечная цель метода – распределение озона в атмосфере по данным спектральных измерений, полученных с борта ИСЗ.

Математической основой решения обратной задачи восстановления содержания озона по спектрометрическим данным является упомянутое ранее интегральное уравнение Фредгольма 1-го рода.

Рис. 7. Спектральная яркость рассеянной УФ солнечной радиации. Верхняя кривая – зависимость от длины волны внеатмосферной солнечной радиации

Типичная зависимость интенсивности рассеянной атмосферой Земли УФ солнечной радиации в полосе поглощения озона, измеренная с борта ИСЗ «Нимбус-4», приведена на рис. 7. Обращает внимание большой перепад интенсивности рассеянного излучения (четыре порядка) – от малых значений в области коротких волн до большой величины в области длинных, в то время как интенсивность прямого солнечного УФ-излучения плавно возрастает в сторону длинных волн. Оценки показывают, что ряд факторов (вариации профиля концентрации озона, альбедо земной поверхности и облачности, зенитное расстояние Солнца) в сумме приводят к изменению интенсивности рассеянного излучения не более чем на один порядок. Таким образом, полное изменение рассеянного атмосферой УФ-излучения в данной полосе поглощения озона составляет пять порядков.

Для восстановления содержания озона в атмосфере с точностью 3 – 5% (уровень естественных вариаций озона) погрешность относительных измерений интенсивности рассеянного излучения на указанных выше длинах волн должна быть не более 1%.

Необходимая погрешность измерения потока наиболее просто может быть реализована в УФ-спектрометрах с последовательным во времени сканированием спектра и с использованием одного приемника излучения. Здесь уместно напомнить, что для восстановления ВРО необходимы все указанные выше спектральные каналы, включая длинноволновые, а для определения ОСО достаточно длинноволновых.

В дальнейшем аппаратуру для определения ВРО и ОСО будем называть соответственно УФ-спектрометром ВРО и УФ-спектрометром ОСО. Возможность изменения потока в 10⁵ раз создает ряд серьезных трудностей при конструировании электроники и оптики УФ-спектрометра ВРО. Электронный тракт при отношении сигнал/шум не менее 100 должен иметь высокую линейность во всем интервале изменения входного сигнала. Изменение интенсивности излучения в полосе поглощения озона на четыре порядка при точности измерения не менее 1% во всех спектральных каналах требует подавления рассеянного на элементах оптической схемы излучения, достигающего приемник, до 10^–6 от входного потока. При этом вклад рассеянного излучения (не разложенного по длинам волн) в любой спектральный канал составит величину не более 1% от измеряемого потока. В спектрометрии такая степень подавления рассеянного излучения достигается применением двойного монохроматора. В УФ-спектрометрах ВРО, созданных в США и СССР, в качестве дисперсионного элемента (приспособление для разложения света по длинам волн) используются дифракционные решетки, диффузно отражающие 10^–3 падающего потока излучения. В упомянутых спектрометрах используется двойной монохроматор с двумя дифракционными решетками.

В УФ-спектрометре ОСО ввиду относительно небольшого изменения интенсивности излучения по интервалу сканирования спектра нет необходимости в двойном монохроматоре.

Созданный в США спектрометр ОСО получил название TOMS (Total Ozon′s Mapping Spectrometer – спектрометр для картирования общего содержания озона). Он имеет шесть спектральных каналов, центрированных на следующих длинах волн (мкм): 0,3125; 0,3175; 0,3312; 0,3398; 0,36 и 0,38. TOMS осматривает озонный слой в направлении поперек орбиты спутника с шагом 3° в интервале углов ±52,5° относительно надира.

Первые две пары спектральных каналов используются для определения ОСО, два длинноволновых канала (в них поглощение озоном практически отсутствует) нужны для контроля альбедо подстилающей поверхности. На рис. 8 представлена упрощенная оптико-механическая схема спектрометра TOMS. Здесь элементы 7 и 11 представляют узел сканирования поля зрения спектрометра по поверхности Земли, остальные элементы, за исключением модулятора светового потока 10 и направляющего зеркала 11, входят в состав оптико-механической схемы УФ-спектрометра с последовательным сканированием спектра.

Рис. 8. Упрощенная оптико-механическая схема спектрометра TOMS

Принцип сканирования спектра состоит в следующем. Световой поток, пройдя входную щель монохроматора 14, при отражении от коллимирующего зеркала 1 преобразуется в параллельный пучок, который засвечивает дифракционную решетку 13. Разложенное по длинам волн излучение отражается от коллимирующего зеркала и фокусируется на неподвижную решетку 2 выходных щелей. Через каждую из этих щелей проходит поток излучения на одной из упомянутых длин волн. На селекторном диске 3 расположены ответные щели так, чтобы при совпадении одной пары щелей другие оставались перекрытыми. При этом через выходную оптику 4 проходят лучи с определенной длиной волны, фокусирующиеся на фотокатод ФЭУ. Перемещением селекторного диска 3 с помощью шагового двигателя 6 производится последовательное измерение интенсивности сигнала на каждой из шести заданных длин волн.

На ИСЗ «Нимбус-7» (США, 1978) был установлен комплекс УФ-аппаратуры для картирования ОСО и определения ВРО в подспутниковой зоне в составе УФ-спектрометров TOMS и SBUVS (The Solar Backscatter Ultraviolet Spectrometer – спектрометр обратно рассеянного УФ солнечного излучения). Этот комплекс позволяет в течение суток получить карты ОСО по всему земному шару в любое время года. Исключением являются полярные шапки, над которыми измерения в зимнее время года становятся невозможными – Солнце там в это время не светит. Со времени запуска «Нимбуса-7» получен большой массив данных о состоянии озонного слоя Земли, в частности, над южным полюсом в зоне озонной «дыры». В СССР на ИСЗ «Метеор» также установлены УФ-спектрометры, с помощью которых определяются ВРО и ОСО.

Примером перспективного международного сотрудничества является соглашение между СССР и Центром Годдарда (НАСА, США) об установке на космическом аппарате типа «Метеор-3» прибора TOMS для картирования озонного слоя. Запуск этого экологического орбитального патруля запланирован на следующий год, и специалисты надеются получить с его помощью ответы на многие загадки озоносферы. Япония также планирует произвести (в 1995 г.) запуск спутника с американской озонометрической аппаратурой TOMS на борту. Как видим, необходимость регулярного контроля озоносферы из космоса позволила объединить усилия международного сообщества для «слежки» за нашим общим домом – планетой Земля.

МЕТОД ЭМИССИИ

В отличие от метода обратного рассеяния метод эмиссии предусматривает изучение материального состава атмосферы по ее собственному (тепловому) излучению. Как уже говорилось, озон имеет сильные колебательные полосы на длинах волн 4,7; 9,6 и 14,2 мкм. Полоса 4,7 мкм достаточно сильно перекрыта полосами водяного пара и, кроме того, на этом участке спектра в уходящем излучении Земли еще заметно влияние отраженного излучения. На полосу 14,2 мкм накладываются полосы поглощения диоксида углерода и водяного пара. Поэтому полосы 4,7 и 14,2 мкм трудно использовать для определения содержания озона в атмосфере. Наиболее благоприятная с этой точки зрения – полоса озона на длине волны 9,6 мкм.

В США в конце 60-х – начале 70-х годов получены непрерывные спектры уходящего излучения в широком диапазоне длин волн (от 5 до 25 мкм), позволившие выделить спектральные зоны, благоприятные для зондирования атмосферы Земли. Измерения спектра проводились на ИСЗ «Нимбус-3» (1969 г.) с помощью ИК спектрометра-интерферометра ИРИС.

На ранее приведенном рис. 4 с записями спектра над различными участками земной поверхности ясно проявляется полоса поглощения озона на длине волны 9,6 мкм. ОСО в первом приближении определяется глубиной провала в спектре уходящего излучения на этой длине волны. На спектрограммах заметно поглощение излучения парами воды, которое должно быть учтено в расчетах ОСО. В общем случае для восстановления ОСО используется упомянутый формализм интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода с привлечением данных о составе атмосферы, высотном распределении температуры и влажности.

Рис. 9. Упрощенная схема ИК-интерферометра ИРИС. Монохроматический источник 8 выполнен на газоразрядной неоновой лампе

Аппаратура ИРИС построена по схеме интерферометра Майкельсона с линейно перемещающимся зеркалом. Работа этого интерферометра поясняется рис. 9. Атмосферный поток излучения, отразившись от зеркала 1, направляется через окно 2 на светоделительную пластину 3, на которой происходит его амплитудное деление на отраженный и проходящий потоки в отношении 1 : 1. Отраженные от подвижного 5 и закрепленного 4 зеркал потоки излучения после вторичного деления на пластине 3 направляются на собирающее зеркало 6 и фокусируются на приемник 7, расположенный в фокусе зеркала 6. Эти потоки приходят на приемник излучения с разностью хода, равной удвоенной разности расстояний между светоделительной пластиной 3 и зеркалами 4 и 5. Интенсивность монохроматического излучения, поступающая на светочувствительную поверхность приемника, в зависимости от разности фаз составляющих потоков будет изменяться по косинусоидальному закону от нулевого значения до учетверенной интенсивности единичного потока. Зависимость величины сигнала приемника от положения подвижного зеркала называется интерферограммой исследуемого потока.

При равномерном перемещении подвижного зеркала интерферограмма представляет косинусоиду. В случае сплошного спектра интероферограмма является сложной временной функцией.

Таким образом, на выходе усилительного тракта интерферометра сигнал не является спектром, а представляет некую временную функцию, которая с помощью интегрального преобразования Фурье должна быть трансформирована в спектр.

Для привязки измерений к шкале длин волн в интерферометр введен канал высокоточных измерений перемещения подвижного зеркала 9 и 10, элементы интерферометра 3, 4 и 5, интерференционный фильтр 11, собирающая линза 12 и приемник излучения 13. Канал работает по принципу нтерферометра, так что при перемещении зеркала на выходе приемника 13 формируются импульсы напряжения, отстающие друг от друга на расстоянии λ/2, где λ – длина волны монохроматического источника 8.

Зеркало 1 предназначено для компенсации смещения поля зрения прибора на поверхности Земли при движении ИСЗ. Для этого зеркало 1 совершает периодические угловые перемещения с тем, чтобы линия наблюдения прибора во время снятия интерферограммы была направлена на определенный участок подспутниковой зоны. Таким образом устраняется эффект «смазывания», обусловленный изменением состояния атмосферы вдоль подспутниковой линии.

Спектрометрия с применением преобразования Фурье – весьма трудоемкий косвенный метод получения спектров. Разработка же самого интерферометра (в особенности для космического базирования) представляет сложную научно-техническую задачу. Достаточно отметить только одну проблему – создание конструкции интерферометра, устойчивой к вибрациям и температурным деформациям.

Так чем все же привлекательна Фурье-спектроскопия? Главное преимущество этого метода состоит в том, что при его применении энергия светового потока используется более полно, чем в случае прямых измерений спектра, например, с помощью сканирующего спектрометра с дифракционной решеткой и одним приемником.

В последнем случае измерения проводятся последовательно по участкам спектра, равным спектральному разрешению прибора, в то время как энергия большей части исследуемого спектрального интервала в измерениях не участвует. Заметим, что если в два раза увеличить время измерения одного разрешаемого спектрального элемента, то это равносильно проведению двух независимых измерений, которые затем усредняются. Если ошибка измерений имеет случайную природу, то такое усреднение повышает точность измерений в √2 раза. Если время измерения разрешаемого элемента увеличивается в N раз, то точность измерения интенсивности потока возрастает в √N раз.

В формировании интерферограммы одновременно участвуют все спектральные составляющие потока. Это означает, что при одинаковом времени измерения спектра, спектральном разрешении и числе N разрешаемых элементов точность измерения интенсивности потока па данной длине волны в интерферометре в √N раз выше, чем в спектрометре. Можно сказать, что в интерферометре имеет место как бы параллельное измерение интенсивности на всех спектральных участках с использованием одного приемника излучения.

Фурье-спектрометр ИРИС, разработанный в США, при небольших массе и потребляемой мощности обеспечивал получение спектра в диапазоне от 5 до 25 мкм при времени регистрации одной интерферограммы за 11 с с пространственным разрешением 100 км.

Для измерения содержания озона и других параметров атмосферы на оперативной основе в США разработан спектрофотометр ХИРС – измеритель инфракрасного излучения с высокой разрешающей способностью. ХИРС представляет собой фильтровый двадцатиканальный спектральный прибор. Каналы расположены в диапазоне длин волн от 0,7 до 15 мкм, один из них центрирован по длине волны 9,6 мкм. Спектральные данные аппаратуры позволяют восстановить высотную зависимость температуры и влажности, знание которых необходимо для определения ОСО по измерениям в канале на длине волны 9,6 мкм.

Конструктивно ХИРС представляет собой оптическую систему телескопического типа со сканирующим зеркалом на входе, предназначенным для перемещения линии визирования в пределах угла обзора аппаратуры. Диаметр телескопа 15 см. Световой поток после телескопа разделяется дихроичным расщепителем на длинноволновую (выше 6,4 мкм) и коротковолновую (ниже 6,4 мкм) части. Последняя расщепляется вторично для выделения потока в видимом участке спектра. Поле зрения аппаратуры формируется двумя диафрагмами – для коротковолновых и длинноволновых каналов. После прохождения диафрагм потоки поступают на полосовые фильтры, расположенные на карусели, в процессе вращения которой происходит поочередная подача на приемники потоков излучения соответствующих спектральных полос.

В аппаратуре применяются два охлаждаемых твердотельных приемника: в длинноволновых каналах – на тройной смеси HgCdTe, а в коротковолновых – на InSb. В видимом диапазоне используется кремниевый приемник, не требующий глубокого охлаждения. Поле зрения телескопа – 1,8°, угол обзора ±49,5°, время сканирования в угле обзора – 6,4 с, время измерения спектра – 0,1 с.

Спектрометры ХИРС, установленные на оперативных метеорологических ИСЗ серии «Тирос-Н», за время 8 ч обеспечивают получение глобальной карты ОСО с геометрическим разрешением 30 км.

Следует отметить, что на полярных шапках Земли точность определения ОСО этим методом мала – особенно в зимний период, что обусловлено низкой температурой земного покрова и нижних слоев атмосферы в районе полюсов Земли.

ЛИМБОВЫЕ МЕТОДЫ

Измерения потоков излучения, проводимые с ИСЗ в направлении края земного диска, носят название лимбовых. Лимбовых методов определения содержания озона (и других компонент атмосферы) несколько: сорбционный, предусматривающий измерение прозрачности атмосферы в полосе поглощения искомой компоненты при заходе ИСЗ в тень и выходе из нее; метод рассеянного УФ солнечного излучения в направлении горизонта; эмиссионный.

Достоинства лимбовых методов зондирования атмосферы следующие: повышенная чувствительность (в 60 – 70 раз) к содержанию малых газовых компонент, обусловленная большой протяженностью трассы луча в атмосфере; возможность получения высокого вертикального разрешения (1 – 3 км) в высотном распределении компонент атмосферы; отсутствие влияния на измерения теплового излучения нижних слоев атмосферы и земных покровов и др.

Схема хода солнечных лучей при измерениях сорбционным методом представлена на рис. 6 под номером 3. Из-за удаленности Солнца поток излучения в первом приближении можно представить в виде параллельных лучей, а направления наблюдения за Солнцем при разных положениях ИСЗ на орбите – в виде параллельных линий, проходящих через атмосферу на разном удалении от Земли. На участке захода ИСЗ в тень линии наблюдения приближаются к поверхности Земли, при выходе ИСЗ из тени – удаляются от ее поверхности. Точка наименьшего удаления линии наблюдения от поверхности Земли носит название прицельной. Нормаль, опущенная из прицельной точки на Землю, пересекает терминатор – линию, разделяющую освещенную часть поверхности от находящейся в тени.

Суть метода состоит в измерении функции пропускания атмосферы на различных высотах в полосах поглощения определяемых компонент. Измерения прямого солнечного излучения проводятся при входе ИСЗ в тень или выходе из нее, а также на удалении от тени (в условиях отсутствия влияния атмосферы). По полученным спектрометрическим данным определяется ослабление солнечной радиации в атмосферном столбе вдоль траектории луча. С учетом данных о релеевском ослаблении и ослаблении на аэрозолях находится общее содержание поглощающего вещества в атмосферном столбе. По этим данным для различных высот решается обратная задача определения вертикального распределения плотности искомой компоненты. Модель атмосферы представляется в виде слоистой сферической структуры. Математическая задача в этом случае считается корректной, так как получаемое высотное распределение является единственно возможным. Плотность поглощающего вещества определяется вблизи прицельных точек, а восстановление высотного распределения плотности происходит в области терминатора. Вертикальное разрешение определяется полем зрения аппаратуры по местному углу, а горизонтальное – неадекватностью математической модели реальной атмосфере и составляет величину около 150 км.

В США для исследования атмосферы сорбционным методом создан спектрометр, получивший название САГЭ (стратосферный аэрозольный и газовый эксперимент). Прибор содержит следящее зеркало с двухкоординатным электромеханическим приводом, датчики направления на Солнце, телескоп, воспринимающий отраженное от зеркала излучение, спектрометр с дифракционной решеткой и приемники излучения. Диаметр телескопа – 5,1 см, поле зрения спектрометра – 0,5′ (по местному углу) и 2,5′ (по азимуту), точность наведения на край диска Солнца – 0,5′, дифракционная решетка содержит 1200 штр/мм; приемники излучения – кремниевые фотодиоды.

Аппаратура имеет семь спектральных каналов в диапазоне длин волн от 0,38 до 1,02 мкм, что позволяет наряду с измерением озона в полосе поглощения Шаппюи определять малые газовые составляющие атмосферы (Н₂О, NО₂) и аэрозоль.

По спектрометрическим данным можно восстановить высотное распределение концентрации озона, диоксида азота и водяного пара с вертикальным разрешением 1 – 3 км, горизонтальным – около 150 км и точностью 10%.

Аппаратура САГЭ была установлена на ИСЗ «Нимбус-7» и РБЗ (радиационный баланс Земли), запущенных в США в 1978 и 1984 гг. соответственно.

Для определения озона сорбционным методом иногда на ИСЗ устанавливается более простая аппаратура, которая обычно используется в ракетных и стратостатных измерениях. Это спектрофотометры с широким полем зрения, содержащие общую широкоугольную бленду и сборку из нескольких небольших телескопов, оптические оси которых параллельны и каждый из которых снабжен узкополосным фильтром с определенной центральной длиной волны. Напомним, что бленда – это устройство, размещаемое перед входом в объектив телескопа для ограничения посторонних световых потоков. В качестве приемников излучения обычно используются вакуумные диоды, отличающиеся большой стабильностью характеристик.

В спектрофотометре два или три спектральных канала находятся в области поглощения озона (0,26 – 0,3 мкм), а один (опорный) – за ее пределами, в области длин волн 0,34 – 0,4 мкм.

При обработке спектрометрических данных используется методика дифференциального поглощения УФ-излучения, согласно которой поглощение излучения в атмосферном столбе описывается законом Беера – Ламберта, а для определения количества поглощающего вещества подсчитывается отношение интенсивностей излучения на двух длинах волн, одна из которых расположена в полосе поглощения вещества, а другая вне ее, но на достаточно близком расстоянии. В первом приближении (не учитывается релеевское и аэрозольное ослабление) логарифм этого отношения пропорционален количеству поглощающего вещества в атмосферном столбе.

Описанные спектрофотометры конструктивно просты, но имеют существенный недостаток – восстанавливаемое по спектрометрическим данным высотное распределение плотности вещества имеет небольшое вертикальное разрешение (не более 5 – 10 мкм). Причина этого состоит в следующем. В связи со значительным угловым размером Солнца (33′) в формировании поступающего на вход фотометра потока излучения участвует большой объем атмосферы. Так, например, наблюдаемый с высоты 800 км диаметр Солнца в области прицельной точки равен 20 км. Несмотря на ряд достоинств сорбционного метода, следует сказать о его ограниченных возможностях в охвате измерениями земной атмосферы. В случае наиболее распространенных приполярных орбит высотное распределение озона и других малых газовых компонент может быть получено в области 80-х северных и южных широт над отдельными местами земной поверхности в зонах пересечения подспутниковой линии с терминатором.

Возможность повысить информативность метода связана с перспективой использования звезд с устойчивым УФ-излучением в качестве внешних источников облучения земной атмосферы.

Большими шансами охватить наблюдениями земную атмосферу обладает метод рассеянного УФ солнечного излучения в направлении горизонта (отмечен на рис. 6 цифрой 6). В отличие от надирных методов здесь рассеянное атмосферой излучение измеряется в направлении, близком к нормальному по отношению к падающим солнечным лучам.

Эмиссионный метод в лимбовых измерениях озона реализуется в ИК и СВЧ-областях спектра. Наиболее успешными оказались исследования атмосферы Земли, проведенные с помощью аппаратуры ЛИМС (лимбовый инфракрасный монитор стратосферы), установленной на ИСЗ «Нимбус-7».

Конструктивно аппаратура разделена на блоки электроники и радиометра. Блок радиометра состоит из двух частей – твердотельной криогенной сборки (ТКС) и оптико-механической сборки (ОМС), которые расположены на общей монтажной плите, крепящейся к ИСЗ.

ТКС включает узел приемника и криогенное устройство с двумя ступенями охлаждения, первая из которых использует твердотельный аммиак (NH₃) и поддерживает температуру всех элементов узла приемника, за исключением самого приемника, равной 152 К, а вторая, содержащая твердый метан (СН₄), обеспечивает функционирование приемника излучения при температуре 63 К. Чувствительными элементами фотоприемника являются фотосопротивления из тройной смеси кадмий–ртуть–теллур.

Рис. 10. Оптическая схема аппаратуры ЛИМС: 1 – сканирующее зеркало; 2 – внеосевое параболическое зеркало; 3 – модулятор излучения; 4 – вторичное параболическое зеркало; 5 – направляющее зеркало; 6 – кадмий-теллуритовые линзы; 7 – охлаждаемая щель; 8 – окно, выполненное из иртран-6; 9 – параболические зеркала приемника излучателя; 10 – фокусирующая линза, выполненная из иртран-6; 11 – спектральные полосовые фильтры; 12 – система щелей, формирующих поле зрения спектральных каналов; 13 – решетка независимых приемников излучения

ОМС состоит из оптических элементов телескопа и электроприводов сканирующего зеркала и прерывателя излучения. На рис. 10 представлена упрощенная оптическая схема аппаратуры. Элементы с 1-го по 6-й входят в состав телескопа со сканирующим зеркалом, элементы с 7-го по 13-й относятся к узлу приемника излучения. Щель 7 и окно 8, находящиеся при температуре 152 К, отделяют пространство узла приемника излучения от телескопа, имеющего температуру контейнера спутника. После прохождения системы параболических зеркал и фокусирующей линзы 10 излучение попадает на полосовые фильтры 12, определяющие величину поля зрения различных спектральных каналов. Разделенный в пространстве по длинам волн, поток излучения поступает на линейку независимых приемников излучения 13.

В таблице приведены характеристики спектральных каналов аппаратуры ЛИМС и перечень определяемых малых газовых компонент атмосферы.

Сканирование лимба осуществляется за 12 с, начиная с высоты 160 км и до 40 км ниже кромки диска Земли. За последующие 12 с линия наблюдения радиометра возвращается в исходное положение. В процессе движения ИСЗ за 24 с аппаратура охватывает наблюдениями участок атмосферы вдоль лимба протяженностью 140 км. При этом вертикальное и горизонтальное пространственные разрешения аппаратуры составляют соответственно 2 – 4 и 20 – 30 км.

Эта аппаратура проработала на борту ИСЗ с 25.10.78 г. по 28.6.79 г. и дала более чем 7000 высотных зависимостей излучения, позволивших с высокой точностью восстановить вертикальные распределения температуры, озона и других газовых компонент атмосферы.

Использование микроволнового излучения в лимбовых измерениях позволяет уменьшить ограничения по нижней высоте зондирования атмосферы. Эти возможности обусловлены меньшим, чем в других участках спектра, ослаблением микроволнового излучения в аэрозолях и водных облаках. Исследования Земли лимбовыми методами и разработка новых видов аппаратуры космического базирования для этих целей успешно проводятся как у нас в стране, так и за рубежом.

ЛИДАРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА

Лидар в современном значении этого слова – синоним лазерного локатора. Именно появление лазера сделало оптические локаторы поистине жизнеспособным инструментом. Благодаря последним достижениям в лазерной технологии, компьютеризации и совершенствованию методов детектирования и обработки сигналов стала возможной разработка спутниковых лидарных систем, предназначенных для измерения концентрации малых газовых составляющих атмосферы, в первую очередь озона. Активное дистанционное зондирование с использованием лидаров обладает некоторыми уникальными возможностями, которые недоступны для пассивных систем. Одна из таких возможностей – увеличение вертикального разрешения при надирном зондировании благодаря малым длительностям излучаемых импульсов и точной временной привязке отраженного сигнала.

Другая особенность лидарных систем связана с их спектральными характеристиками. Стабильные лазерные источники, излучающие вблизи отдельных линий поглощения, как нельзя лучше отвечают требованиям определения молекулярных компонент атмосферы по методу лидарного дифференциального поглощения, являющегося одним из самых простых и надежных в оптических атмосферных исследованиях. Этот метод весьма похож на описанный в предыдущем разделе метод дифференциального поглощения УФ-излучения. В его основе лежит независимый прием лидарных сигналов на двух относительно близких длинах волн, одна из которых расположена в полосе поглощения вещества, а другая – вне линии поглощения.

По рассеянному обратно излучению измеряется относительное ослабление излучений в веществе с большим разрешением по дальности и определяется распределение плотности вещества вдоль трассы зондирования. Поскольку при этом используются практически прямые вычисления плотности вещества, погрешность лидарного метода существенно меньше, чем в случае решения обратных задач по данным надирных пассивных спектральных измерений.

В настоящее время лидары для зондирования атмосферного озона с борта ИСЗ находятся в стадии разработки. Однако уже созданы самолетные варианты лидарных систем озонного зондирования.

Рис. 11. Структурная схема ЛЭП-системы: 1 – узкополосные лазеры на красителе; 2 – Nd: АИГ-лазеры накачки: 3 – приемный телескоп; 4 – блок приемников излучения; 5 – блок обработки информации

На рис. 11 представлена схема лидара дифференциального поглощения (ЛДП), созданного в США для дистанционного зондирования озона в нижней атмосфере. Лидар состоит из двух крупных подсистем – излучающей и приемной. Излучающая подсистема включает лазер накачки на кристалле иттрий-алюминиевый гранат с внедренными ионами ниодима 2 и лазеры на красителе 1; приемная подсистема состоит из телескопа 3, блока приемников излучения 4 и блока обработки информации 5. Один из лазеров на красителе с умножителем частоты вдвое имеет длину волны 0,286 мкм, которая сильно поглощается озоном, а второй – излучает на длине волны 0,3 мкм, используемой в качестве опорной. Излучаются также основные гармоники лазеров на красителе с длинами волн 0,6 и 0,582 мкм. Для зондирования аэрозольного профиля используется основная гармоника лазера накачки с длиной волны 1,064 мкм.

Прием обратного рассеянного лазерного излучения осуществляется телескопом с входным диаметром 30 см. Приемники излучения – фотоэлектронные умножители. Поле зрения приемной подсистемы составляет 5′.

ЛДП-система, установленная на самолете ДС-8, использовалась для измерения профилей озона в зоне озонной дыры над Антарктидой. В августе и сентябре 1987 г. проведен ряд полетов, в результате которых получены распределения озона для области высот от 10 до 20 км над уровнем моря внутри и вне полярного вихря с вертикальным разрешением 500 м.

Первые эксперименты по проверке возможностей применения лидаров в космосе начнутся в 1992 г. Результаты испытаний космических лидаров позволят уточнить технические требования к спутниковой лидарной аппаратуре зондирования атмосферного озона.

ОЗОННАЯ АНТАРКТИЧЕСКАЯ АНОМАЛИЯ

Читатель наверняка рассчитывает найти в брошюре ответы на волнующие его вопросы, связанные с так называемой озонной дырой. Не будем его разочаровывать и рассмотрим основные экспериментальные данные, свидетельствующие о появлении в последнем десятилетии дефицита озона в южной полярной области, а также обсудим важнейшие из предложенных до настоящего момента гипотез происхождения этого явления.

Резкое уменьшение общего содержания озона (обнаружено впервые в районе Антарктиды после 1979 г.) отмечается ежегодно в октябре, т. е. в период антарктической весны, вплоть до 1989 г. с некоторыми нарастаниями и спадами эффекта. Для специалистов по озону это явление было неожиданным, и вначале его пытались даже объяснить погрешностями измерений. Однако последующие регулярные измерения содержания озона со спутников Земли и на наземной сети станций окончательно рассеяли сомнения в объективности этого факта. Размер участка с аномально низкой концентрацией озона примерно эквивалентен участку, охваченному полярной ночью. Общее содержание озона в октябре ежегодно (начиная с 1979 г.) уменьшалось, достигая в отдельных местах 50% своего номинального значения. Вместе с этим смещались и раздвигались границы озонной дыры за пределы континента в сторону населенных регионов Австралии, Южной Америки, Африки. Размеры ее становились все больше, охватывая приполярные районы в несколько миллионов квадратных километров. В отдельные годы в центре озонной дыры формировался относительный максимум ОСО, окруженный поясом более низкого содержания озона, в другие – значительного снижения концентрации антарктической весной не отмечалось. В этот же период в отдельные годы наблюдалась отрицательная аномалия ОСО в Северном полушарии в конце зимних месяцев. Для иллюстрации динамики изменения концентрации озона за последние 5 лет на рис. 12 условно изображены результаты измерений аппаратурой TOMS спутника «Нимбус-7» содержания озона над Южным полюсом в октябре каждого года. Шкала, расположенная под рисунком, дает представление о количественных вариациях озона в озонной дыре. По контурам материков, обозначенных темными линиями, можно судить о ее пространственных характеристиках. Динамика дыры в течение октября каждого года указывает на то, что дыра представляет собой крупномасштабный вихрь в атмосфере. В следующие за октябрем месяцы озонный слой постепенно восстанавливается и возвращается к норме. Таким образом, говоря об озонной дыре, подразумевают большой участок над Антарктидой, где концентрация озона снижается.

Рис. 12. Эволюция озонной дыры

В какой мере образование озонной дыры может повлиять на нашу планету? Биологический эффект, вызванный ослаблением защиты от ультрафиолетовой радиации, появись дыра в экваториальной области, мог бы оказаться неблагоприятным для живых организмов. На полюсе же после полярной ночи, когда появляется дыра, солнечные лучи падают под очень малым углом к поверхности Земли и поэтому менее опасны. Немногочисленному сменяемому персоналу научных станций, по-видимому, ничто не угрожает. Тем не менее появление озонной дыры стимулировало исследования воздействия ультрафиолетовой радиации на морских обитателей и планктон в антарктическом районе. Отмечено также, что спад озона, наиболее сильный в слое 10 – 25 км, коррелировал с понижением температуры в этом слое. Весной 1985 г. температура нижних слоев антарктической стратосферы понижалась до –75°С. Такие нарушения тепловых процессов в атмосфере могут привести и к климатическим изменениям.

Экологическая ситуация с кратковременным обеднением озонного слоя в Антарктиде не была бы столь драматичной, если бы уровень наших знаний позволял понять закономерности образования и исчезновения озонной дыры и как следствие прогнозировать дальнейший ход событий. К сожалению, надо признать, что ежегодное появление весеннего антарктического озонного минимума пока не получило однозначного объяснения. Отсутствие единого мнения о том, что происходит в Антарктиде, вызывает тревогу и беспокойство населения. Пока не выяснены до конца причины возникновения озонной дыры, трудно предсказать ее последствия как для условий существования биологических объектов на Земле, так и для климата планеты. Рассмотрим наиболее вероятные механизмы образования озонной дыры.

Согласно одному из них уменьшение озона связано с увеличением оксидов азота, вызванным, в свою очередь, солнечной активностью. Как известно, максимум солнечной активности в последнем 11-летнем цикле наблюдался в 1979 – 1983 гг. В это же время наблюдалось увеличение (на 30 – 60%) концентрации оксидов азота в мезосфере Южного полушария. В последующем отмечался перенос оксидов на более низкие уровни в стратосферу в период полярной ночи. Фотохимические реакции «азотного» цикла с участием оксидов азота, как мы знаем, приводят к разрушению озона, что и обусловливает снижение его концентрации в стратосфере и образование озонной дыры. Наблюдающиеся отставания по времени между максимумом солнечной активности и ореолом развития озонной дыры в 1985-м и последующих годах объясняются следующим образом. К моменту максимума и начала спада солнечной активности происходит резкое увеличение нисходящего потока оксидов азота в стратосферу и последующее формирование озонной дыры. В период спада солнечной активности на границе мезосферы поток оксидов азота уменьшается, но в стратосфере их концентрация максимальна, а следовательно, содержание озона минимально. Наконец, на последней стадии, которая началась в 1986 г. и еще не закончилась, в минимуме солнечной активности содержание оксидов азота в стратосфере уменьшается, а количество озона должно увеличиваться и состояние озонного слоя должно возвратиться к первоначальному.

Такой механизм может реально объяснить процесс формирования озонной дыры. В его пользу до последнего времени говорил тот факт, что в 1988 г. наблюдалось значительное увеличение концентрации озона по сравнению с предыдущим годом, осенью которого отмечалось максимальное разрушение озонного слоя над Антарктидой. Однако измерения 1989 г. показали, что дыра вновь появилась, т. е. вместо ее исчезновения при спаде солнечной активности начинают отмечаться колебания величины дыры от года к году. Помимо этого, в рамках данного механизма остаются без ответа по крайней мере два вопроса. Первый: почему в процессе предшествующих 11-летних циклов солнечной активности не формировалась озонная дыра? В частности, один из предыдущих циклов, максимум которого приходится на 1958 – 1960 гг., обладал активностью большей, чем текущий. Однако в те годы отмечено лишь небольшое снижение концентрации озона, которое мы раньше уже связывали с последствиями ядерных испытаний. Второй вопрос: почему озонная дыра формировалась только в Южном полушарии?

Другой предполагаемый механизм связывает образование озонной дыры с «хлорным» циклом антропогенного происхождения. Одну из фотохимических реакций с участием хлора, приводящих к разрушению озона, мы рассматривали в одном из предыдущих разделов. Механизм, связанный с реакциями хлорного цикла, предполагает поступление хлорных соединений в полярную стратосферу благодаря циркуляции атмосферы. А в атмосферу разрушающие озон соединения поступают с поверхности Земли непрерывно из миллионов аэрозольных упаковок, бытовых холодильников, рефрижераторов, в результате выбросов химических заводов и т. п. И несмотря на то что хозяйственная деятельность человека пока еще не привела к заметному снижению суммарного содержания озона в атмосфере, фреоны могут быть причастны к разрушению озона над Антарктидой – таково мнение большой группы ученых. Здесь также имеется безответный вопрос: почему антропогенно обусловленный механизм не проявил себя в Северном полушарии, где поступление хлорных, бромистых и других соединений, разрушающих озон, идет более интенсивно?

Наконец, третий возможный механизм – так называемый динамический – пытается объяснить формирование озонной дыры чисто циркуляционными процессами в стратосфере и мезосфере и горизонтальным перераспределением озона при общем его постоянстве. Опуская аргументацию сторонников такого механизма, отметим лишь, что при указанной циркуляции должен происходить отток озона из полярной озоносферы и его накапливание в полосе 60 – 70° южной широты. Хотя такое накапливание и наблюдалось, но ожидаемый по этой теории баланс озона в Южном полушарии отсутствовал – суммарное содержание озона там в этот период снижалось. Так, на основании результатов измерений, проведенных в ходе полетов исследовательского самолета НАСА между Калифорнией и Чили, в сентябре – октябре 1989 г. произошло значительное обеднение (до 15 – 30%) слоя озона за пределами озонной дыры в южных широтах до 50°.

Над самой Антарктидой химические реакции, протекающие на поверхности частиц льда, обусловливают высвобождение хлора в активной форме, который разрушает озон. За пределами полярного района частиц льда мало и возможным объяснением истощения слоя озона может быть активный хлор, выделяющийся при аналогичных реакциях, протекающих на поверхности капелек серной кислоты. Следовательно, одним динамическим механизмом трудно объяснить формирование озонной дыры. Таким образом, ни один из предложенных механизмов в отдельности не в состоянии дать исчерпывающую разгадку снижения концентрации озона в стратосфере южнополярного бассейна.

Как уже указывалось, отмечены первые признаки снижения концентрации озона в Северном полушарии Следует отметить, что характер атмосферных движений в стратосфере обоих полушарий существенно различен. В Северном полушарии температура в среднем выше, а взаимодействие и обмен между полярной областью и средними широтами более эффективны. Разрушение полярного вихря происходит раньше в Северной полярной зоне, что ограничивает эффективность фотохимических реакций, происходящих в вихре при низких температурах. Поскольку циркуляция вихря в арктических широтах слабее, чем устойчивая циркуляция вихря, опоясывающего Антарктиду, в северную субполярную область примесей с воздушными потоками поступает меньше, чем в южную, и образование дыры не происходит. Не все ученые разделяют озабоченность и тревогу, связанные с появлением озонной дыры. Критически анализируя утверждение, что озонная дыра является началом разрушения озоносферы, эти исследователи считают, что антарктическая дыра в это время года представляет обычное естественное явление, которое может усиливаться внеземными факторами, такими, как солнечные протонные вспышки и метеоритные потоки. Имеются даже упреки в том, что противоречивость суждений о причинах возникновения озонной дыры просто выгодна исследователям, занимающимся наблюдениями атмосферного озона, и подобная неопределенная ситуация является для них желательной. Поиск достоверного ответа на заданный природой вопрос породил целый спектр мнений о механизме возникновения озонной дыры и последствиях ее воздействия на нашу планету: начиная от полного благодушия и кончая предсказанием озонной катастрофы. Что находится между этими крайними точками зрения – истина или новая проблема, – покажут дальнейшие исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Значительное количество информации о характеристиках состояния озоносферы, необходимой для понимания сложного комплекса динамических, фотохимических и радиационных процессов, анализа естественных и антропогенных возмущений и обнаружения временных изменений в состоянии озоносферы, может быть получено с помощью разнообразных спутниковых методов. Разумеется, сам факт «переезда» озонометрической аппаратуры в космос не решит экологическую проблему озона, но может существенно помочь в повышении информативности и качества наблюдений за состоянием озоносферы. В отличие от наземных измерений дистанционные методы спутниковой метеорологии позволяют охватить наблюдениями значительную часть атмосферы Земли с периодичностью и пространственным разрешением, недоступными другим методам. Кроме того, дистанционные методы не оказывают никакого влияния на характеристики исследуемого объема атмосферы, даже в случае лидарных методов, если мощность лазерного излучения не превышает определенного критического значения.

В предыдущих разделах рассмотрен целый набор спутниковых методов контроля озона и доказана их высокая эффективность. Может возникнуть вопрос: к чему такое обилие измерительных методик и разнообразие аппаратур? Дело в том, что каждый из представленных методов, помимо бесспорных преимуществ, обладает также присущими этому способу измерений недостатками. О некоторых из них было рассказано по ходу описания аппаратуры. Так, например, для одних методов измерения в данный момент можно проводить только над терминатором, для других в определенное время недоступными для контроля являются полярные шапки, третьи позволяют определять только ОСО или сильно сглаженные ВРО, лидарная аппаратура требует высокой спутниковой энергообеспеченности и т. д.

Одним из главных критериев достоинств той или иной аппаратуры является точность измерений концентраций. Согласно существующим оценкам, для исследований и контроля возможных изменений озонного слоя под влиянием антропогенных воздействий служба космического мониторинга должна обеспечить точность измерения ОСО не хуже нескольких процентов.

Непрерывный мониторинг требует в первую очередь тщательной оценки качества бортовой измерительной аппаратуры. Поэтому до создания оптимальной спутниковой системы мониторинга, предназначенной для систематической и долговременной эксплуатации, необходимо изучить предельные возможности различных методов зондирования озоносферы, учесть влияние методических и инструментальных погрешностей на точность дистанционного измерения озона, улучшить эксплуатационные характеристики аппаратуры. Пока еще не решены вопросы о том, как лучше использовать столь большой массив спутниковых данных, какие задачи он поможет лучше всего решить, как рациональнее связать спутниковые и наземные наблюдения.

В настоящий момент спутниковая озонометрия переживает стадию своего становления. Бесспорно, что после отработки аппаратуры система космического мониторинга, дополненная автоматизированными средствами сбора, обработки и передачи данных наблюдений, станет главным инструментом контроля за состоянием озоносферы, способным вовремя заметить глобальные или локальные изменения озонного слоя, если таковые произойдут. И все же основной задачей космического мониторинга атмосферного озона является изучение закономерностей образования, переноса и разрушения озона, исследование глобальных метеорологических, космических и антропогенных воздействий на озонный слой с целью создания модели поведения озоносферы, пригодной для долгосрочного прогноза ее изменений.

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ: СОЗВЕЗДИЕ БЛИЗНЕЦОВ

Такой корабль, известный под названием «Джемини», был готов к началу 1964 г. Его масса составляла 3500 кг и была почти вдвое больше, чем у «Меркурия». Новый корабль имел, подобно «Востоку», спускаемый отсек, в котором экипаж возвращался на Землю. Если по баллистической траектории корабль «Меркурий» запускался ракетой «Редстоун», а на орбиту Земли его выводила модификация ракеты «Атлас», то для запуска «Джемини» требовалась более мощная ракета-носитель. Она была изготовлена из межконтинентальной баллистической ракеты «Титан».

Первый запуск беспилотного «Джемини-1» был осуществлен В апреле 1964 г. и прошел успешно. Второй аппарат был запущен по баллистической траектории в январе 1965 г. Подготовка к этому пуску была трудной. Сроки его неоднократно переносились. Сначала был не готов аппарат «Джемини», затем, 17 августа, в ферму пускового устройства ударила молния, вызвав некоторые разрушения, потом мысу Канаверал стал угрожать ураган Клео и пришлось спасать ракету-носитель от непрошеного гостя. Наконец, 9 декабря все было готово, и прозвучала команда «зажигание». Однако двигатели запустились и тут же заглохли. Только следующий запуск оказался успешным, и специалистам стало ясно, что можно запускать на орбиту экипаж.

В экипаж входили уже известный нам Г. Гриссом и новичок Джон Янг, вступивший в отряд астронавтов в 1962 г.

Астронавты в шутку назвали свой аппарат «Молли Браун» по имени героини нашумевшей музыкальной комедии «Непотопляемая Молли Браун». В названии явно чувствовался намек на случай с утонувшим кораблем «Меркурий». Утром 23 марта 1965 г. астронавты расположились в креслах корабля. Подготовка к пуску в целом протекала нормально, если не считать, что после начала обратного отсчета времени была обнаружена небольшая течь в магистрали подачи горючего. Устранение неисправности не потребовало много усилий, и экипаж «Джемини-3» успешно стартовал. Во время старта астронавты держались за кольца катапультирующего устройства, готовые в случае необходимости в любую секунду покинуть ракету. Однако первые неприятности их ожидали позже. Во время полета по орбите Янг вдруг заметил, что по показаниям прибора давление кислорода в скафандрах и в кабине быстро падает. Реакция Гриссома оказалась мгновенной – он тут же опустил забрало гермошлема, как будто это могло его спасти от надвинувшейся беды. Янг проявил хладнокровие и попытался проанализировать ситуацию. Он включил резервный датчик давления кислорода и обнаружил, что тот показывает нормальную величину. Начались наблюдения Земли и космоса. Астронавты запустили двигатели корабля и изменили орбиту аппарата.

Если в ходе предшествующих полетов на борту почти не проводилось научных экспериментов, то теперь положение дел изменилось. Программа полета предусматривала ряд простеньких для выполнения, но важных с научной точки зрения опытов. Один из них кто-то в шутку назвал «групповой секс в космосе». Он состоял в том, чтобы в специальном синхронизаторе перемешать яйца некоторых моллюсков для их оплодотворения. С этой целью Гриссом должен был покрутить ручку синхронизатора. Однако то ли ручка оказалась бракованной, то ли астронавт, переживший стресс из-за падения давления кислорода, не соизмерил своей силы, но так или иначе он эту ручку сломал.

На втором витке астронавты вновь включили двигатели и изменили наклонение орбиты корабля. Коррекция орбиты сопровождалась повышенным волнением экипажа – это одна из довольно эмоциональных операций в космическом полете.

Еще во время последнего полета «Меркурия» ученые были удивлены докладами Купера о том, что он видит на Земле довольно мелкие предметы: отдельные дома и улицы, дороги, озера, поезда, дым из труб и многое другое. А ведь ближайшее расстояние от «Меркурия» до Земли составляло 160 км. Экипаж «Джемини-3» убедился в справедливости докладов Купера. Видимость из космоса в самом деле была отличной.

Врачи и технические специалисты единодушно выступали против применения в космосе обезвоженной пищи. Но перед полетом У. Ширра в тайне от руководителей НАСА настоял, чтобы Янг положил в карманы своего скафандра бутерброд с говядиной. Когда в космосе астронавты попытались его съесть, крошки ржаного хлеба разлетелись по всей кабине. Астронавты боялись, что они попадут в глаза, дыхательные пути или, еще хуже, в аппаратуру, вызвав тем самым аварию на борту. Однако все обошлось благополучно. На Земле этот случай имел большой резонанс. Некоторые члены Конгресса стали обвинять руководство НАСА в потере контроля над группой астронавтов. Коллинз в своей книге то ли в шутку, то ли всерьез пишет, что эти бутерброды стали причиной того, что «верхние эшелоны» страны обратили свое внимание на нужды астронавтов. Дик Слэйтон, руководитель отряда астронавтов, вынужден был написать заявление, в котором отмечалось, что он никому не давал разрешения брать в полет какие-либо посторонние предметы, во-первых, а во-вторых, высказал свое мнение, что подобного рода второстепенные вопросы должны иметь возможность решать сами члены экипажей. Это заявление подписали несколько астронавтов.

На третьем витке вновь включили двигатели и снизили высоту орбиты. Это было сделано «на всякий случай», в расчете на то, что если тормозные двигатели по какой-либо причине не заработают, то аппарат с такой орбиты под влиянием сопротивления воздуха сам спустится на Землю.

Начались операции по спуску. Отделение спускаемого отсека произошло с неожиданно сильным толчком. Затем благополучно включились тормозные двигатели. Однако «Джемини» был новым аппаратом. Его, конечно, всесторонне испытывали на Земле, но на экспериментальных установках трудно выявить все его особенности. Астронавты с помощью бортовой вычислительной машины установили, что его аэродинамические характеристики отличаются от расчетных, и аппарат «уходит» из коридора спуска. Для уменьшения ошибки они осуществили два маневра (крена) аппарата. При спуске оба астронавта прильнули к своим иллюминаторам. Когда раскрылся парашют, кабину сильно тряхнуло. Гриссом ударился лицом о стекло, а Янг поцарапался. Полностью компенсировать ошибку спуска не удалось, и астронавты приводнились почти в 100 км от запланированного места. Здесь их ожидало еще одно испытание на прочность. После приводнения парашют не отделился от капсулы и, наполненный ветром, потащил ее по воде. Капсула накренилась так, что иллюминатор Гриссома оказался полностью в воде. Даже самый совершенный космический аппарат не обладает удовлетворительными мореходными качествами. Каждая волна, набегая, легко поднимала, а затем опускала его. Солнце нагревало обшивку, выделяли тепло сами члены экипажа. Внутри кабины с каждой минутой становилось все жарче. Незаметно к астронавтам подкралась морская болезнь, они почувствовали приближающиеся приступы тошноты. Корабль группы поиска и спасения с гидросамолетом находился еще далеко, и астронавты стали просить экипаж прилетевшего вертолета поднять их на борт, что было запрещено делать до подхода основных средств спасения. Летчики вняли просьбам «терпящих бедствие» и дали свое согласие. Астронавты сняли с себя скафандры, чтобы хоть немного охладиться, и покинули аппарат. Гриссом пролез через люк первым, чем и вызвал шутливое замечание своего коллеги, сказавшего, что в первый раз он видит капитана, покидающего свой корабль не последним, а первым. Летчики дали астронавтам голубые халаты, чтобы они надели их поверх своего «космического» белья. Так в этих халатах они и предстали перед встречавшими их на палубе корабля моряками и официальными лицами.

Первый испытательный пилотируемый полет «Джемини» был успешно завершен. Опыт отчетливо показывал, что приводнение аппаратов в заданном районе оказывается довольно трудной задачей. Пока еще не хватало необходимой точности спуска с орбиты, а отсюда появлялись и некоторые осложнения для астронавтов.

Американские специалисты также планировали обеспечить выход астронавта в открытый космос. На Земле для решений этой задачи тренировался в барокамере Э. Уайт.

Выход А. Леонова в космос был расценен в США как очередной вызов советских специалистов, и там стали думать над тем, как на него ответить побыстрее. Сначала хотели ограничиться открытием люка, чтобы астронавт мог лишь немного высунуться в открытый космос. Однако вскоре оказалось, что двухлетние усилия по разработке специального скафандра и газового пистолета, предназначенного для создания силы тяги при передвижении в космосе, были близки к завершению и давали возможность обеспечить выход человека в космос уже при полете «Джемини-4».

Сам Уайт готовился к подобного рода эксперименту уже несколько месяцев, но то, что его час пробьет так быстро, было для него полной неожиданностью. О выходе астронавта в открытый космос НАСА объявило 25 мая 1965 г., а уже 3 мая аппарат «Джемини-4» был запущен на орбиту. Командиром был назначен друг Уайта еще со студенческих лет Джеймс Макдивитт.

Полет был рассчитан всего на четверо суток. Вскоре после выхода на орбиту астронавты стали готовиться к выполнению своей главной задачи. Прежде всего они отвакуумировали кабину, поскольку на «Джемини» не было шлюзовой камеры, затем открыли входной люк. Это было ужасно – соприкоснуться так тесно с холодным безжизненным космосом. Но Уайту предстояло еще «нырнуть» в него и стать человеком-спутником. Последний шаг оказался очень трудным. Астронавт нашел причину несколько задержаться в кабине. «Ну что же ты?» – спросили его с Земли. «Я проверяю в последний раз камеру», – ответил он. Набрав в грудь воздуха, он, слегка оттолкнувшись ногами, выплыл в космос. Пульс его достигал 165 ударов в минуту. Его товарищ непрерывно снимал действия своего коллеги кинокамерой. Уайт находился в состоянии эйфории, но не забывал об обязанностях. Оказавшись в космосе, он начал управлять своим передвижением с помощью газового пистолета, но запасов газа хватило всего на несколько минут. Тогда астронавт стал передвигаться по поверхности корабля. Память автоматически фиксировала то, что сознание отказывалось воспринимать. Он проплывал над Землей, и каждый его шаг в космосе был гигантским. Один на Гаваях, второй – в Калифорнии, третий – в Техасе, четвертый на Багамских островах и Бермудском треугольнике.

Длительность пребывания в космосе определялась, конечно, соображениями соревнования с русскими. Если А. А. Леонов выступал в роли спутника Земли 12 минут, значит, Уайт должен был находиться за бортом корабля примерно вдвое больше. Впрочем, ему разрешили вернуться на минуту раньше – он пробыл в космосе 23 мин. Вернувшись в кабину, Уайт произнес: «Ох, это был самый ужасный день в моей жизни!» Но расслабляться было рано. Нужно было еще закрыть входной люк, в противном случае гибель экипажа была бы неизбежной. Но люк не поддавался стараниям Макдивитта. Напряжение возросло. На Земле, в Центре управления, все замерли. Кто-то высказал предположение, что в условиях космоса самопроизвольно сварились витки пружины собачки храповика. Передали рекомендацию на борт в надежде, что за короткий срок возникшее «соединение» еще не стало прочным. Жизнь астронавтов висела на волоске.

Уайт очень устал, но, когда он понял смысл случившегося, тут же поспешил на помощь товарищу. Вдвоем они трудились 25 минут, и эти минуты оказались самыми страшными в их жизни. Каждый из них с удовольствием поменял бы их на те, которые Уайт провел в открытом космосе. Их пульс возрос до 180 ударов в минуту. К счастью, дефект удалось устранить, и люк был закрыт. Теперь можно было немного расслабиться.

В остальное полетное время экипаж проводил научные и технические эксперименты, много фотографировал Землю, занимался физическими упражнениями. При спуске их ожидала еще одна неприятность – вышла из строя бортовая вычислительная машина. В результате вход корабля в атмосферу был нештатным, но все кончилось благополучно: «Джемини-4» успешно приводнился в 80 км от расчетного места.

ХРОНИКА ПИЛОТИРУЕМОЙ КОСМОНАВТИКИ

«Спейс Шаттл» – полеты продолжаются

Летом 1989 г. НАСА оказалось вплотную перед новой дилеммой. На околоземной орбите неумолимо терял высоту 10-тонный спутник-платформа ЛДЕФ (см. № 12.84 и 5.90). Усиление солнечной активности, приводившее, в свою очередь, к увеличению плотности верхней атмосферы, делало все более близким и труднопредсказуемым момент неконтролируемого входа в атмосферу этого алюминиевого 12-гранника размером с городской автобус. В расписании челночных полетов, после запуска АМС «Галилей», значился полет СТС-32, специально для снятия ЛДЕФ с орбиты, однако впереди него в график вклинилась военная миссия СТС-33, отложенная с лета. НАСА могло вновь отложить этот полет, оставив больше времени для подготовки «поимки» ЛДЕФ. Однако «чувство долга» перед Пентагоном взяло верх, и управление дало зеленый свет СТС-33, тем самым увеличив риск потери результатов 57 экспериментов на ЛДЕФ стоимостью 15 млн. долл.

27 октября «Дискавери» был выведен на стартовую площадку с расчетом его запуска 20 ноября, но технические проблемы с электронными блоками РТТ на два дня затянули подготовку запуска. Вечером 22 ноября НАСА, в лице Лайзы Мелоун, начало открыто комментировать последние предстартовые операция, и через 9 минут «Дискавери», обливая ослепительным светом ночное небо над Флоридой, устремился в космос.

На борту «Шаттла» в полете СТС-33 находились командир корабля Фредерик Грегори, пилот Джон Блаха, а также полетные специалисты Стори Мазгрейв, Катрин Тортон и Манлей Картер.

Считается, что секретным грузом «Дискавери» был второй спутник радиоэлектронного слежения «Магнум» стоимостью 300 млн. долл. (первый также был запущен с «Дискавери» в январе 1985 г.). Этот аппарат (2260 кг), оснащенный двумя гигантскими антеннами, предназначен для прослушивания военных и дипломатических сигналов в широком диапазоне радиоволн, в том числе для перехвата высокочастотных телефонных разговоров и телеметрической информации при испытании МБР. По всем данным, после трех маневров, в результате которых «Дискавери» вышел на орбиту высотой 561 × 237 км, «Магнум» в связке с космическим буксиром ИУС был выведен из грузового отсека во время прохождения восьмого витка и затем благополучно достиг стационарной орбиты.

Экипаж «Шаттла» оставшееся время посвятил военно-прикладным экспериментам и после суточной отсрочки (из-за сильного ветра) завершил полет 27 ноября, приземлив «Дискавери» на бетонную полосу № 4 базы Эдвардс.

Тем временем 28 ноября сборочный корпус Центра им. Кеннеди покидает «Колумбия», которая должна попытаться возвратить ЛДЕФ. Впервые с 1986 г. «Шаттл» выводится на стартовую площадку 39 А, на которой после гибели «Челленджера» были проведены модификации, аналогичные осуществленным ранее на площадке 39 Б. Тем не менее доводка систем обновленной стартовой позиции не позволяет осуществить запуск «Колумбии» в соответствии с первоначальным планом – 18 декабря. Хотя уточненные прогнозы показывают, что ЛДЕФ продержится на орбите максимум до середины марта 1990 г., время уже «поджимает» НАСА. Дело в том, что орбита сближения «Шаттла» должна быть ниже орбиты падающего спутника и в то же время эта орбита должна быть достаточно высока, чтобы исключить возможность неконтролируемого погружения космоплана в атмосферу.

8 января, несмотря на сильную облачность, НАСА осуществляет стартовые операции, но все же следует 24-часовая отсрочка. На следующий день все идет по плану, и «Колумбия» устремляется к цели. Командирское кресло в полете СТС-32 занимал Даниел Бранденстайн, пилотом был Джеймс Ветерби, а полетными специалистами Бонни Данбар, Дейвид Лоу и Марша Айвинс.

10 января из хвостовой части грузового отсека «Колумбии» буквально выкатывается на орбиту 7,5-тонный спутник связи ВМС США «Синком 4-5», похожий на гигантскую консервную банку (затем спутник переведен на стационарную орбиту). Еще день был потрачен на маневры сближения, и наконец 12 января на высоте около 300 км над Землей астронавты увидели злополучный ЛДЕФ. Пилоты выполнили маневр встречи и обхода спутника, так что он, оставаясь обращенным к грузовому отсеку, оказывается на фоне Земли, после чего Б. Данбар привела в действие дистанционный манипулятор. На глазах у телезрителей операция захвата ЛДЕФ «механической рукой» была осуществлена. Астронавтам сразу бросились в глаза существенные внешние повреждения спутника, после его почти 6-летнего пребывания в космосе. Это было еще одно прямое предупреждение конструкторам постоянной космической станции «Фридом», перед которыми все острее встает проблема защищенности ее экипажа и систем. Прежде чем разместить ЛДЕФ в грузовом отсеке, экипаж в течение примерно 5 часов осуществлял детальное фотографирование спутника под всевозможными углами для последующих анализов.

Несмотря на выполнение основной задачи, «Шаттл» должен был оставаться на орбите дольше, чем в большинстве полетов. Десятисуточная миссия СТС-32 готовилась как первый шаг к осуществлению 16-дневных, а затем, возможно, и 28-дневных полетов, что повысит главным образом научную эффективность «Шаттла».

Экипаж «Колумбии» использовал дополнительное время полета для интенсивного фотографирования Земли (удалось отснять зарождение тайфуна в Австралии, несколько районов Африки), проведения экспериментов по выращиванию кристаллов, медицинских исследований.

За день до встречи с ЛДЕФ экипажу пришлось срочно убирать воду, просочившуюся в кабину из систем поглощения влажности, а в ночь с 17 на 18 января дважды просыпаться во внеурочное время: сначала из-за ложного сигнала датчика пожарной опасности, а затем из за самопроизвольного включения носовых двигателей ориентации, придавших «Колумбии» медленное вращение, прежде чем они были отключены.

19 января густой туман, выпавший на базе Эдвардс, заставил отложить посадку на сутки, а на следующий день «Колумбия» совершила еще лишний виток из-за неполадки в дублирующем компьютере.

20 января, когда в Калифорнии еще не начался рассвет, «Колумбия» со своим ценным грузом приземлилась на ярко освещенную ксеноновыми лампами бетонированную полосу № 22 базы ВВС Эдвардс, закончив самый длительный челночный полет.

Для тщательного анализа результатов экспериментов НАСА заранее сформировало четыре группы ученых, которые приступили к работе, как только ЛДЕФ был извлечен из грузового отсека «Колумбии» после ее воздушной транспортировки на мыс Канаверал. На послеполетной пресс-конференции Б. Данбар сообщила, что НАСА, возможно, вновь выведет ЛДЕФ на орбиту для другой серии экспериментов.

Неприятности следующей миссии «Шаттла» начались с уникального для космонавтики происшествия: 22 февраля запуск «Атлантиса» с военным грузом был первый раз отложен на 24 часа из-за простуды командира экипажа Джона Крейтона (другие члены экипажа: пилот Джон Гаспер, специалисты Дейвид Хилмерс, Майкл Муллейн и Пьер Туйот). Пуск затем несколько раз откладывался из-за погоды, причем НАСА трижды пришлось заправлять гигантский топливный бак «Шаттла», что привело к повышенному испарению и, следовательно, дефициту криогенных компонентов топлива. 28 января «Атлантис» выполнил феерический ночной старт в последние секунды 2-часового стартового окна, начав считающийся секретным полет СТС-36. По достоверным сведениям, космоплан вышел на орбиту с наклонением 62° и высотой примерно 200 км. Здесь на 18-м витке, примерно через 27 часов после старта, Д. Хилмерс привел в действие усовершенствованную систему развертывания полезной нагрузки, с помощью которой из грузового отсека был выведен 17-тонный разведывательный спутник АФП-731. Этот низкоорбитальный аппарат оснащен видеокамерами нового поколения для получения изображений таких объектов, как, например, укрытия для подводных лодок или ракетных установок. Вторую группу аппаратуры составляют приемные устройства широкого диапазона радиоволн для перехвата сигналов.

4 марта «Атлантис» благополучно приземлился на базе ВВС Эдвардс, а уже 17 марта Министерство обороны США сделало заявление о том, что оборудование, выведенное в ходе миссии СТС-36, вскоре войдет в атмосферу. При этом независимые источники указывали, что ИСЗ, о котором идет речь, распался на орбите.

ПЛАНЫ, ПРОЕКТЫ, ПРОГНОЗЫ

Новая эра для «спутников-малюток»

Спутники 50-х годов, с которых США начали исследования космоса, часто весили меньше своих создателей, однако сегодня все уже привыкли к гигантским многотомным аппаратам, запускаемым мощными ракетами-носителями.

Тем более необычным выглядит событие, происшедшее в апреле 1990 г. в небе над Калифорнией. От летящего на высоте 12 км бомбардировщика Б-52 отделилась белоснежная 15-метровая ракета «Пегас», созданная фирмами «Орбитал Сайенс Ко» и «Геркулес». Последовательная работа трех твердотопливных ступеней этого небольшого аппарата, оснащенного 7-метровым крылом, обеспечила выведение на орбиту 200-кг спутника, первого из нового поколения «легковесных спутников». Следующим должен быть запуск (с помощью такой же ракеты) семи (1) 22-кг спутников связи размерами с шину легкового автомобиля. Затем последует еще целая серия запусков мини-спутников НАСА и ВВС. Наиболее мощная модификация – «Пегас-3» – должна вывести на геостационарную орбиту спутник связи БГС-400.

18-тонная РН «Пегас» подвешивается под правое крыло самолета-носителя на стандартной подвеске, использовавшейся ранее для запусков экспериментальных самолетов Х-15, и ее первая ступень начинает работать через 5 с после отделения от Б-52, который, резко облегчившись с правого борта, совершает естественный крен влево, оказываясь в 1,5 км от места воспламенения двигателя РН.

Возможности «малюток» весьма широки – от спутниковой связи до обнаружения импульсных источников гамма-лучей и изучения гравитационных волн.

Миссия вне плоскости эклиптики

Кажется, наконец подходят к концу многолетние ожидания ученых Европейского космического агентства, создавших АМС «Улисс». С 5 по 23 октября этого года открыто стартовое окно, в течение которого «Шаттл – Атлантис» должен доставить эту АМС в космос в ходе миссии СТС-42. Если все пойдет по плану, «Улисс» с помощью космического буксира, составленного из ступеней ИУС и ПАМ-Эс, будет выведен на межпланетную траекторию, затем, в феврале 1992 г., пройдет Юпитер, использовав его поле тяготения для выхода из плоскости эклиптики, и с мая по сентябрь 1994 г. и с мая по сентябрь 1995 г. будет соответственно огибать южный и северный полюса Солнца.

Проект миссии вне плоскости эклиптики (плоскость, в которой Земля вращается вокруг Солнца) был задуман еще во второй половине 70-х годов как полет двух (американской и европейской) станций, выводимых общей ступенью ИУС с борта «Шаттла» в феврале 1983 г. Приблизившись к Юпитеру, АМС должны были огибать противоположные полюса гигантской планеты и под действием ее мощного поля тяготения оказаться одна севернее, а другая южнее плоскости эклиптики. Таким образом, они приблизились бы одновременно к обоим полюсам Солнца с противоположных сторон. Однако бюджетные ограничения начала 80-х годов заставили США аннулировать свою часть проекта, и по измененному плану одна европейская АМС должна быть выведена с борта «Шаттла» ступенью «Центавр».

6 января 1986 г. АМС «Улисс» уже была доставлена из Европы на мыс Канаверал с расчетом запуска на борту «Атлантиса» 15 мая 1986 г., но через три недели произошла катастрофа «Челленджера». В июле 1986 г. АМС вновь оказалась в хранилище фирмы «Дорнье» (ФРГ), откуда ее извлекли лишь в мае 1989 г. для повторной подготовки к полету. Основными операциями были установка на АМС научных приборов и их вспомогательных систем, а также полная перепроверка станции.