Спутниковая миссия по изучению океана Jason-1

Введение

Миссия спутниковой океанографии

Jason 1 была спутниковой альтиметрической океанографической миссией. Она была направлена на мониторинг глобальной циркуляции океана, изучение взаимосвязи между океаном и атмосферой, повышение точности глобальных прогнозов климата и отслеживание таких явлений, как Эль-Ниньо и океанические вихри. Jason 1 был запущен в 2001 году, а за ним последовали OSTM/Jason 2 в 2008 году и Jason 3 в 2016 году – спутниковая серия Jason. Jason 1 был запущен совместно с космическим аппаратом TIMED.

Именование

Происхождение названия восходит к встрече JASO1 (JASO=Journées Altimétriques Satellitaires pour l'Océanographie), проходившей в Тулузе, Франция, для изучения проблем ассимиляции данных альтиметра в моделях. Аббревиатура Jason также расшифровывается как "Совместная сеть спутниковой альтиметрической океанографии". Кроме того, она отсылает к мифическому походу Ясона и аргонавтов в поисках знаний.

История

Jason 1 является преемником миссии TOPEX/Poseidon, которая измеряла топографию поверхности океана с 1992 по 2005 год. Как и его предшественник, Jason 1 – это совместный проект космических агентств NASA (США) и CNES (Франция). Преемник Jason 1, миссия Ocean Surface Topography Mission на спутнике Jason 2, была запущена в июне 2008 года. Эти спутники обеспечивают уникальный глобальный обзор океанов, который невозможно получить с помощью традиционного отбора проб с судов. Jason 1 был построен компанией Thales Alenia Space с использованием платформы Proteus по контракту с CNES, а также основным инструментом Jason 1 – высотомером Poseidon 2 (преемником высотомера Poseidon на борту TOPEX/Poseidon). Jason 1 был разработан для измерения изменений климата с помощью высокоточных миллиметровых измерений глобальных изменений уровня моря в год. Как и TOPEX/Poseidon, Jason 1 использует альтиметр для измерения возвышенностей и понижений поверхности океана. Эти измерения топографии морской поверхности позволяют ученым рассчитывать скорость и направление океанских течений и контролировать глобальную циркуляцию океана. Глобальный океан – основной накопитель солнечной энергии Земли. Измерения высоты морской поверхности Jason 1 показывают, где хранится это тепло, как оно перемещается вокруг Земли океаническими течениями и как эти процессы влияют на погоду и климат. Jason 1 был запущен 7 декабря 2001 года с авиабазы Ванденберг в Калифорнии на борту ракеты-носителя Delta II. В течение первых месяцев Jason 1 находился на почти идентичной орбите с TOPEX/Poseidon, что позволяло проводить перекрестную калибровку. В конце этого периода старый спутник был перемещен на новую орбиту, расположенную посередине между траекториями Jason 1. Jason 1 имел период повторения цикла в 10 дней. 16 марта 2002 года на Jason 1 произошел внезапный сбой в ориентации, сопровождавшийся временными колебаниями в бортовых электрических системах. Вскоре после этого инцидента были обнаружены два новых небольших фрагмента космического мусора на орбитах, немного ниже орбиты Jason 1, и спектроскопический анализ впоследствии подтвердил их происхождение от Jason 1. В 2011 году было установлено, что фрагменты мусора, скорее всего, были выброшены из Jason 1 в результате столкновения с неустановленной, небольшой "высокоскоростной частицей", попавшей в одну из солнечных панелей космического аппарата. В 2009 году, в результате орбитальных маневров, спутник Jason 1 был перемещен на противоположную сторону Земли от спутника OSTM/Jason 2, которым управляют метеорологические агентства США и Франции. В то время Jason 1 пролетал над той же областью океана, над которой пять дней назад пролетел OSTM/Jason 2. Его траектории располагались посередине между траекториями OSTM/Jason 2, расстояние между которыми на экваторе составляет примерно . Эта тандемная, переплетенная миссия обеспечила вдвое большее количество измерений поверхности океана, позволив увидеть более мелкие объекты, такие как океанические вихри. Эта совместная миссия также помогла подготовить почву для будущей миссии по измерению высоты океана, которая будет собирать гораздо более подробные данные с помощью одного инструмента, чем два спутника Jason вместе. В начале 2012 года, после помощи в перекрестной калибровке миссии OSTM/Jason 2, Jason 1 был переведен на орбиту захоронения, и все оставшееся топливо было сброшено. Миссия все еще могла возвращать научные данные, измеряя гравитационное поле Земли над океаном. 21 июня 2013 года связь с Jason 1 была потеряна; многочисленные попытки восстановить связь не увенчались успехом. Было установлено, что последний оставшийся передатчик на борту космического аппарата вышел из строя. Операторы отправили команды спутнику отключить оставшиеся функционирующие компоненты 1 июля 2013 года, что привело к его выводу из эксплуатации. По оценкам, космический аппарат останется на орбите не менее 1000 лет. Программа названа в честь греческого мифологического героя Ясона.

Jason 1 is the successor to the TOPEX/Poseidon mission, which measured ocean surface topography from 1992 through 2005. Like its predecessor, Jason 1 is a joint project between the NASA (United States) and CNES (France) space agencies. Jason 1's successor, the Ocean Surface Topography Mission on the Jason 2 satellite, was launched in June 2008. These satellites provide a unique global view of the oceans that is impossible to acquire using traditional ship based sampling. Jason 1 was built by Thales Alenia Space using a Proteus platform, under a contract from CNES, as well as the main Jason 1 instrument, the Poseidon 2 altimeter (successor to the Poseidon altimeter on board TOPEX/Poseidon). Jason 1 was designed to measure climate change through very precise millimeter per year measurements of global sea level changes. As did TOPEX/Poseidon, Jason 1 uses an altimeter to measure the hills and valleys of the ocean's surface. These measurements of sea surface topography allow scientists to calculate the speed and direction of ocean currents and monitor global ocean circulation. The global ocean is Earth's primary storehouse of solar energy. Jason 1's measurements of sea surface height reveal where this heat is stored, how it moves around Earth by ocean currents, and how these processes affect weather and climate. Jason 1 was launched on 7 December 2001 from Vandenberg Air Force Base, in California, aboard a Delta II Launch vehicle. During the first months Jason 1 shared an almost identical orbit to TOPEX/Poseidon, which allowed for cross calibration. At the end of this period, the older satellite was moved to a new orbit midway between each Jason ground track. Jason had a repeat cycle of 10 days. On 16 March 2002, Jason 1 experienced a sudden attitude upset, accompanied by temporary fluctuations in the onboard electrical systems. Soon after this incident, two new small pieces of space debris were observed in orbits slightly lower than Jason 1's, and spectroscopic analysis eventually proved them to have originated from Jason 1. In 2011, it was determined that the pieces of debris had most likely been ejected from Jason 1 by an unidentified, small "high speed particle" hitting one of the spacecraft's solar panels. Orbit maneuvers in 2009 put the Jason 1 satellite on the opposite side of Earth from the OSTM/Jason 2 satellite, which is operated by the United States and French weather agencies. At that time, Jason 1 flew over the same region of the ocean that OSTM/Jason 2 flew over five days earlier. Its ground tracks fell midway between those of OSTM/Jason 2, which are about apart at the equator. This interleaved tandem mission provided twice the number of measurements of the ocean's surface, bringing smaller features such as ocean eddies into view. The tandem mission also helped pave the way for a future ocean altimeter mission that would collect much more detailed data with its single instrument than the two Jason satellites now do together. In early 2012, having helped cross calibrate the OSTM/Jason 2 replacement mission, Jason 1 was maneuvered into its graveyard orbit and all remaining fuel was vented. The mission was still able to return science data, measuring Earth's gravity field over the ocean. On 21 June 2013, contact with Jason 1 was lost; multiple attempts to re establish communication failed. It was determined that the last remaining transmitter on board the spacecraft had failed. Operators sent commands to the satellite to turn off remaining functioning components on 1 July 2013, rendering it decommissioned. It is estimated that the spacecraft will remain on orbit for at least 1,000 years. The program is named after the Greek mythological hero Jason.

Изменчивость океана

Миссии выявили удивительную изменчивость океана, демонстрируя, насколько сильно он меняется от сезона к сезону, год от года, десятилетие от десятилетия и на еще более длительных временных масштабах. Они опровергли устоявшееся представление о почти устойчивой, крупномасштабной картине глобального океанического течения, доказав, что океан быстро меняется во всех масштабах – от масштабных явлений, таких как Эль-Ниньо и Ла-Нинья, способных охватывать всю экваториальную область Тихого океана, до небольших вихрей, отрывающихся от мощного Гольфстрима в Атлантике.

Изменение уровня моря

Измерения, проведенные Jason 1, показывают, что средний уровень моря повышается в среднем на 2,28 мм (0,09 дюйма) в год с 2001 года. Это несколько меньше, чем скорость, измеренная более ранней миссией TOPEX/Poseidon, но более чем в четыре раза превышает скорость, измеренную более поздней миссией Envisat. Средние измерения уровня моря, полученные с Jason 1, постоянно отображаются в виде графика на веб-сайте Национального центра космических исследований, на странице Aviso. На этом сайте также доступен сводный график уровня моря, составленный на основе данных нескольких спутников. Данные, полученные в результате этих альтиметрических миссий, дали ученым важные сведения о том, как на глобальный уровень моря влияют естественные колебания климата, а также деятельность человека.

Планетарные волны

TOPEX/Посейдон и Jason 1 наглядно продемонстрировали важность волн планетарного масштаба, таких как волны Россби и Кельвина. Никто не предполагал, насколько широко распространены эти волны. Эти волны, простирающиеся на тысячи километров в ширину, возникают под воздействием ветра и вращения Земли и служат важными механизмами для передачи климатических сигналов по обширным океаническим бассейнам. На высоких широтах они распространяются в два раза быстрее, чем предполагалось ранее, что свидетельствует о гораздо более быстрой реакции океана на изменения климата, чем было известно до этих миссий.

Приливы и отливы

Точные измерения, полученные с помощью спутников TOPEX/Poseidon и Jason-1, вывели знания об океанских приливах на беспрецедентный уровень. Изменение уровня воды, вызванное приливными движениями в открытом океане, известно с точностью до 2,5 сантиметров (1 дюйм) в любой точке земного шара. Эти новые данные пересмотрели представления о механизмах рассеяния энергии приливов. Вопреки прежним представлениям о том, что приливная энергия полностью рассеивается в прибрежных мелководных районах, около трети этой энергии фактически теряется в глубинах океана. Там она расходуется на перемешивание вод с различными характеристиками – фундаментальный процесс, определяющий общую циркуляцию океана.

Модели океана

Наблюдения TOPEX/Poseidon и Jason-1 предоставили первые глобальные данные для повышения точности численных моделей океана, являющихся ключевым компонентом моделей климатического прогнозирования. Данные TOPEX/Poseidon и Jason-1 доступны в Центре астродинамических исследований Университета Колорадо, в Центре распределенного активного архива физической океанографии НАСА и во Французском центре сбора и обработки спутниковых альтиметрических данных AVISO.

Выгоды для общества

Высотометрические данные имеют широкий спектр применений, от фундаментальных научных исследований климата до прокладки маршрутов судов. Области применения включают:

Исследование климата: данные высотометрии используются в компьютерных моделях для понимания и прогнозирования изменений в распределении тепла в океане – ключевого элемента климатической системы. Прогнозирование явлений Эль-Ниньо и Ла-Нинья: понимание закономерностей и последствий климатических циклов, таких как Эль-Ниньо, помогает предсказывать и смягчать катастрофические последствия наводнений и засух. Прогнозирование ураганов: данные высотомеров и спутниковые данные об океанских ветрах интегрируются в атмосферные модели для прогнозирования сезона ураганов и оценки интенсивности отдельных штормов. Прокладка маршрутов судов: карты океанских течений, вихрей и векторов ветра используются в коммерческом судоходстве и яхтинге для оптимизации маршрутов. Оффшорные отрасли промышленности: суда, прокладывающие кабели, и объекты морской нефтегазовой промышленности нуждаются в точных данных о циркуляции океана для минимизации воздействия сильных течений. Исследования морских млекопитающих: кашалоты, тюлени и другие морские млекопитающие могут отслеживаться и изучаться вблизи океанских вихрей, где в изобилии присутствуют питательные вещества и планктон. Управление рыболовством: спутниковые данные позволяют выявлять океанские вихри, которые приводят к увеличению численности организмов, составляющих морскую пищевую цепь, привлекая рыбу и рыбаков. Исследование коралловых рифов: данные дистанционного зондирования используются для мониторинга и оценки состояния коралловых рифов, чувствительных к изменениям температуры океана. Отслеживание морского мусора: количество плавучих и частично погруженных материалов, включая сети, древесину и обломки судов, увеличивается по мере роста населения. Высотометрия может помочь в обнаружении этих опасных материалов.