Когда радиоастрономия делала свои первые шаги, ученые и не подозревали, что в самом ближайшем будущем у них в руках окажется инструмент для изучения не только космоса, но и... Земли.
Дело здесь вот в чем.
Способов исследования вселенной много. Один из них базируется на измерении радиотеплового излучения, исходящего от галактик, звезд, планет. Энергетические потоки, путешествующие в космосе, несут с собой информацию о процессах, происходящих в его глубинах. Мы уже многое знаем о поверхности и атмосфере ближайших планет — Марса, Венеры, Меркурия, Луны. Исследование радиоизлучения Солнца позволяет судить о поведении его внешних слоев — хромосфере, короне и сверхкороне. Прослушивание Галактики и галактических радиоисточников многое говорит о структуре и напряженности межзвездных магнитных полей.
Но ведь Земля точно такой же космический объект, равноправный житель солнечной системы. Поглощая солнечное тепло, энергию космических лучей, она обладает и собственным излучением. Наша планета как бы «дышит» в пространстве!
 |
Разве не должны мы знать о «собственном доме» как можно больше? Должны. И вот в Институте радиотехники и электроники АН СССР развертываются работы по внедрению в научную практику радиофизического метода изучения Земли. Ведь здесь радиолокационная астрономия — традиционное исследовательское направление. А в 1968 году, впервые в мировой практике, на искусственном спутнике «Космос-243» была установлена радиоаппаратура для «обследования» нашей планеты. Инициатор и организатор работ в ИРЭ — профессор А. Е. Бамаринов.
«Идет обработка поступающей со спутника информации», — сообщала печать. Привычная фраза, не правда ли? А в то время за ней крылась стремление познать, о чем может поведать едва уловимое «дыхание» Земли, тщательные эксперименты, неустанная работа.
И первый сюрприз. Исходящие от Земли потоки различны над водой и сушей как по характеру, так и по интенсивности. Поле, лес, холодный, теплый участок — все имеет свой «почерк». Но если это так, то, значит, можно осуществлять глобальное наблюдение за поведением планеты, подмечать новые закономерности... И потому именно «тепловой» метод оказался в центре внимания исследователей.
Прежде всего, у него есть явные преимущества по сравнению с уже известными методами — оптическим (телевизионным или фото) и инфракрасным. Как мы знаем, шестиканальная фотосъемка Земли камерой МКФ-6 с орбитальной станции «Салют-6» дает ценнейшую научную и хозяйственную информацию. Но съемку можно вести только в дневное время и только при отсутствии облачности. А облаками скрыто более 60 процентов земной поверхности! Отсюда ясно, что подобный способ не всегда хорош. «Инфракрасение», в свою очередь, не зависит от освещенности, но тем не менее облачность и дымка искажают картину. А вот радиотепловому методу ни облака, ни тьма не помеха! Ведь собственное излучение любого физического тела (в том числе и Земли) имеет сплошной, теоретически бесконечный спектр. Мы умеем измерять многие его участки — от ультрафиолетового до дециметрового. Так вот, для волн диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) облака, дым, другие образования — радиопрозрачны. Излучение от неглубоких подземных объектов, образований проходит сквозь покровы толщиной до десятков метров. Другими словами, можно видеть невидимое, скрытое от глаза, недоступное фотокамере... В этом-то диапазоне и работает наша аппаратура.
 |
Так уж повелось, что, когда возникает новый способ измерений чего бы то ни было, ученые прежде всего стремятся установить его перспективность. «Что мы можем получить от нового открытия?» Этот вопрос задали и сотрудники ИРЭ. Начались многодневные исследования. На самолете Ил-18 разместилась измерительная лаборатория — многоканальный радиометрический комплекс. Дневные и ночные полеты... Пронесась над Землей, чуткие антенны воспринимают энергетические потоки. Суша, вода, льды... Энергия оценивается мерой — так называемой яркостной температурой, выражаемой в градусах по шкале Кельвина. Точно так же определяется и чувствительность приемного устройства. Но почему в градусах?
Мы в нашем случае ведем разговор об излучении естественного происхождения, оно определяется физической температурой объекта и его излучательной способностью. Произведение этих величин и дает меру радиотеплового излучения — яркостную температуру.
Радиометрический приемник столь чувствителен, что легко различает перепады температуры в десятую долю градуса с высоты полета спутника. Бортовое устройство усиливает и преобразует воспринятый сигнал, пересылая его на записывающий прибор. Поскольку уровень сигнала пропорционален количеству воспринятой энергии, его скачки соответствуют профилю яркостных температур по маршруту полета. Если комплекс установлен на спутнике, то преобразованные данные посылаются на Землю.
Сведения о нашей планете, полученные новым методом, оказались поистине удивительными. Когда спутниковый измеритель оказался над ледовыми полями, ученые обнаружили, что по «радиоосознанию» они... теплее воды! Почему бы это? Выяснилось, что ледовые поля обладают высокой излучательной способностью, а вот материковые, пористые льды имеют интенсивность излучения несколько меньшую. Морские же воды излучение почти полностью экранируют. Но ведь это свойство можно использовать для обнаружения айсбергов, разведки ледовой обстановки в северных морях, причем в любую погоду. Всепогодный разведчик — разве не об этом мечтают моряки?
 |
Исследования показали, что по естественному излучению легко определяется чрезвычайно важный во многих случаях параметр — влажность почв, грунтов. Соотношения твердых почвенных частиц, воды и воздуха создают так называемую объемную влажность, она, в свою очередь, влияет на диэлектрическую проницаемость, а следовательно, на электрофизические свойства почвы и коэффициент излучения. Другими словами, физика измерения основана на зависимости интенсивности естественного излучения от диэлектрических свойств поверхности. Была установлена прямая связь его радиационных свойств со степенью минерализации водных бассейнов, состоянием акваторий, с количеством жидкой и парообразной воды в земной атмосфере. Метод оказался универсальным измерительным средством, которое можно использовать в метеорологии, океанологии, физике атмосферы, глобальной геологии...
Ученые узрели пути использования метода и для рационального решения многих народнохозяйственных задач. Например, и водное, и сельское хозяйства страны остро нуждаются в быстрой и эффективной оценке степени влажности почв, количества приповерхностных грунтовых вод на больших территориях. Обычными замерами такие данные получить трудновато. И вот сотрудники ИРЭ и его СКБ создают опытный трехканальный СВЧ-радиометрический комплекс, устанавливают его на борту одного из самолетов сельскохозяйственной авиации — Ан-2. Называется комплекс «Влагомер» (по преимущественному характеру измерений).
Перед вылетом изучается хозяйственная карта района или территории, намечается план и последовательность облета, выбираются внешние, однозначные ориентиры местности — озеро, река, дорога. Ширина измеряемой полосы 70—100 м. Как только самолет оказывается над нужным участком, самописцы начинают регистрировать результаты измерений. И если теперь сопоставить карту и запись, то можно получить ясную картину состояния местности. Отчетливо выделяются главные ориентиры, высотки, разлиновка полей, а интенсивность окраски соответствует влажности почв. Как воспользоваться этими данными?
 |
В нашей стране ведутся большие мелиоративные работы. Чтобы правильно проложить влагорегулирующую сеть каналов, нужно знать гидрологический режим местности. И вот здесь-то радиографическая съемка незаменима, ведь она позволяет получить картину непрерывного распределения влажности, определить зоны с высоким — до 1 м — уровнем стояния грунтовых вод. Размер территории не имеет значения, ведь скорость самолета достаточно высока. Объем и сроки наблюдательных работ сокращаются в десятки раз.
С помощью крылатого «Влагомера» легко контролировать состояние действующих гидротехнических сооружений. По характеру записи бесстрастных самописцев нетрудно определить каналы с крепким руслом и места утечек... Судите теперь сами, какая получается экономия в сравнении с бытующим ныне методом определения утечек «на глазок» — по заболоченности берегов, или с профилактическим ремонтом по всей длине канала!
На полях с искусственным орошением — а их с каждым годом становится все больше и больше — «Влагомер» можно использовать для определения частоты и качества полива сельхозугодий, запасов влаги почв, скорости ее испарения. Чрезвычайно просто выясняется, сколь неравномерна увлажненность на одном поле, какова его дневная скорость высыхания. Никаким другим способом этого не узнаешь.
«Влагомер» испытывался в различных климатических зонах — в Средней Азии, на Северном Кавказе, Украине... Везде выявлена эффективность его использования в народном хозяйстве. Еще бы! Ведь производительность нашего устройства 500—1000 га/ч, стоимость измерений — 15 коп./га.
Но сегодня ученые рассматривают возможность контроля за чистотой питьевых водохранилищ, делать прогнозы мощности паводковых вод, возникновения лавин в горах, выявлять мерзлоту и талые грунты — ведь эти сведения пригодятся строителям Севера, чтобы не поставить объект на опасном участке.
Идеи эти проверяются и осуществляются с помощью измерителей, установленных на Ил-18. Это сложный аппаратурный комплекс.
Во время работы самолет летит на высоте шести километров со скоростью 150 м/с. В поле зрения антенны любой наблюдаемый объект находится не более десятой доли секунды, и вот за это мгновение измеряется поверхность в десяток квадратных метров. Завидная производительность измерителя заложена в самом принципе его действия! В марте летающая лаборатория спешит к открытию навигационного сезона, чтобы пронаблюдать ледовую обстановку Северного морского пути. В мае отрабатывает методику измерения солености и других параметров морской воды. А в дни, когда леса набирают силу, делает рейсы над Сибирью, определяя виды и состояния лесных массивов, выявляя пожароопасные зоны. Затем — Камчатка, Курилы. Тут ведутся наблюдения за геотермальными источниками, за вулканической и тектонической деятельностью полуострова.
Но и это еще не все.
 |
«Мы решили попробовать способ радиолокационного зондирования поверхности Земли, — рассказывает заведующий лабораторией кандидат физико-математических наук Б. К. Кутуза, — применив особый, так называемый метод бокового обзора. С самолета посылается сигнал СВЧ короткой длительности — до одной десятимиллионной доли секунды. Плоскость волнового фронта падает на земную поверхность под определенным углом, отражается от нее и принимается той же антенной. Поскольку участки фронта достигают Земли под разными углами, подобно лучу света, освещающему косую поверхность, то и отражаются они не одновременно, а последовательно, за счет чего мы и получаем поэлементно развернутую картину отраженных символов. Затем сигнал поступает в усилитель, оттуда — на экран осциллографа. Перед экраном протягивается фотопленка. Поскольку интенсивность свечения экрана пропорциональна, а вернее, зависит от свойств поверхности, то фиксируемая картина есть не что иное, как локальная карта местности. Ученые смогли установить зависимость уровня эхо-сигнала от вида посевов, состояния почв... Можно оценивать количество зеленой массы, прогнозировать урожай в масштабах не только областей, но и республик. Производительность локационного способа завидная — 60 квадратных километров в минуту, а ширина полосы обзора 10—20 км. Поскольку здесь мы имеем дело с радиолокацией, то подобный способ носит название активного, в отличие от первого — пассивного. Ведь там измеряется естественное излучение, а тут — отраженный сигнал.
Активное визирование позволяет вести контроль по охране окружающей среды, следить за состоянием таежных и лесоболотных экологических систем, помогает при составлении кадастров рек и лесов. Ведь половину территории нашей страны занимают леса, площадь их равна почти 11 млн. км². Ил-18 способен обследовать эту площадь всего за четыре месяца, а раньше на это уходили годы, десятилетия...
О многом можно узнать, обрабатывая информацию, полученную «летающими измерителями». Методы активного и пассивного визирования весьма перспективны. Они развиваются, дополняя друг друга. Над их развитием работает большой коллектив ученых института. Сегодня уже принято решение о промышленном выпуске «Влагомера». Недалеко то время, когда новые способы визирования нашей планеты войдут в повседневную практику народного хозяйства..
МАРГАРИТА РУСОВА