Исследовательская работа по астрономии «Использование космических технологий для исследования Земли»

Исследовательская работа по астрономии «Использование космических технологий для исследования Земли»
Подготовила:
Масько Юлия Вячеславна,
преподаватель физики
«Использование космических технологий для исследования Земли»
В работе рассматриваются вопросы о возможности изучения Земли из космоса, о пользе данных исследований в различных областях науки и народного хозяйства. Описывается аппаратура и физические методы космических исследований, технологии наблюдений. Совершенно новые перспективы открывают космические исследования для изучения нашей родной планеты — Земли. Как это ни парадоксально, но много нового, интересного и полезного можно узнать, изучая Землю из космоса. Результаты космических съемок нашей планеты необходимы для различных отраслей народного хозяйства. Именно поэтому постоянно совершенствуются приборы для наблюдений и методы исследований.
Рассмотренные в этой работе вопросы использования космической техники (как непосредственного, так и опосредованного) показывают тот большой вклад, который вносит космонавтика в различные сферы деятельности людей. Особое значение в наши дни приобрело исследование природных ресурсов и окружающей среды с помощью космических систем, снабженных разнообразной аппаратурой дистанционных измерений из космоса. Этому направлению предстоит внести основополагающий вклад в народное хозяйство. В решении этой важнейшей задачи большая роль принадлежит космическим системам исследования природных ресурсов и окружающей среды, которые взяли на вооружение достижения ракетно-космической техники, радиоэлектроники и вычислительной техники, в оптико-механической и оптико-электронной аппаратуре. Эти исследования, дополненные астрофизическими и планетологическими исследованиями в космосе, наряду с решением злободневных хозяйственных задач дают возможность подойти к решению фундаментальных проблем преобразования природы на нашей планете.
«Использование космических технологий для исследования Земли»
План исследований
1. Космические аппараты для изучения Земли
1.1.Космические спутники Земли
1.2.Научные спутники
1.3.Спутники связи
1.4.Орбитальные космические станции
2. Методы исследования Земли из космоса.
3.Применение исследований Земли из космоса к различным областям народного хозяйства
3.1.Картография и геодезия
3.2.Сельское и лесное хозяйство
3.3. Океанография
3.4.Навигация
3.5.Экология и предсказание глобальных катастроф
3.6. Использование полезных ресурсов Земли
3.7.Космическая метеорология
3.8.Космическая связь
«Использование космических технологий для исследования Земли»
Введение.
Стремительное развитие космонавтики, успехи в изучение околоземного и межпланетного космического пространства в огромной степени расширило наши представления о Солнце и Луне, о Марсе, Венере и других планетах «Космическая техника и технология», география, гидрология, геохимия, геология, океанология, геодезия, гидрология, землеведение – вот некоторые из наук, ныне широко использующих космические методы и средства исследования. Сельское и лесное хозяйство, рыболовство, мелиорация, разведка сырьевых ресурсов, контроль и оценка загрязнения морей, рек, водоемов, воздуха, почвы, охрана окружающей среды, связь, навигация – таков далеко не полный перечень направлений, использующих космическую технику. Использование искусственных спутников Земли для связи и телевидения, оперативного и долгосрочного прогнозирования погоды и гидрометеорологической обстановки, для навигации на морских путях и авиационных трассах, для высокоточной геодезии, изучения природных ресурсов Земли и контроля среды обитания становится все более привычным. В ближайшей и в более отдаленной перспективе разностороннее использование космоса и космической техники в различных областях хозяйства значительно возрастет.
Совершенно новые перспективы открывают космические исследования для изучения нашей родной планеты — Земли. Как это ни парадоксально, но много нового, интересного и полезного можно узнать, изучая Землю из космоса. Результаты космических съемок нашей планеты необходимы для различных отраслей народного хозяйства. Именно поэтому постоянно совершенствуются приборы для наблюдений и методы исследований.
За последнее десятилетие сформировалось несколько направлений оптико-электронных исследований Земли из космоса. В первую очередь следует отметить исследования временных, спектроэнергетических и поляризационных характеристик элементов ландшафта, проводимые в соответствующих «окнах прозрачности» атмосферы и океана.
Эти исследования сейчас ведутся с помощью телевизионной и радиолокационной аппаратуры. Они необходимы для решения народнохозяйственных задач географии, астрономии, метеорологии, навигации, геодезии, сельского, рыбного, лесного и водного хозяйства и для изучения природной среды, но в каждом случае, естественно, выбор состава аппаратуры зависит от поставленных задач.
1. Космические аппараты для изучения Земли
Весь комплекс научных работ в космосе делится на две группы: изучение околоземного пространства (ближний космос) и изучение дальнего космоса. Все исследования производятся с помощью специальных космических аппаратов.
Они предназначены для полетов в космос или для работы на других планетах, их спутниках, астероидах и т. д. В основном они способны длительно и самостоятельно функционировать. Различают два вида аппаратов — автоматические (спутники, станции для полетов к другим планетам и т. д.) и пилотируемые обитаемые (космические корабли, орбитальные станции или комплексы).
1.1.Космические спутники Земли
Со дня первого полета искусственного спутника Земли прошло много времени, и сегодня на околоземной орбите их трудится уже не один десяток. Одни из них образуют всемирную сеть коммуникации, через которую ежедневно передаются миллионы телефонных звонков, ретранслируются телевизионные передачи и компьютерные сообщения во все страны мира. Другие помогают следить за изменениями погоды, обнаруживать полезные ископаемые, следить за военными объектами. Преимущества получения информации из космоса очевидны: спутники работают независимо от погоды и времени года, передают сообщения о самых отдаленных и труднодоступнных районах планеты. Неограниченность их обзора позволяет моментально зафиксировать данные об огромных территориях.
1.2.Научные спутники
Научные спутники предназначены для изучения космического пространства. С их помощью производится сбор сведений об околоземном пространстве (ближнем космосе), в частности — о магнитосфере Земли, верхних слоях атмосферы, межпланетной среде и радиационных поясах планеты; изучение небесных тел Солнечной системы; исследование дальнего космоса, производящееся при помощи телескопов и другой специальной аппаратуры, установленной на спутниках
1.3.Спутники связи
Линии связи называют еще нервной системой страны, так как без них уже немыслима любая работа. Спутники связи передают телефонные звонки, ретранслируют радио- и телепрограммы по всему миру. Они способны вести передачу сигналов телевизионных программ на огромные расстояния, создавать многоканальные связи. Огромное преимущество спутниковой связи перед земной в том, что в зоне действия одного спутника находится огромная территория с практически неограниченным числом наземных станций, принимающих сигналы.
Спутники такого типа находятся на особой орбите на расстоянии 35 880 км от поверхности Земли. Движутся они с той же скоростью, что и Земля, поэтому кажется, что спутник все время висит на одном месте. Сигналы с них принимаются с помощью специальных дисковых антенн, устанавливаемых на крышах зданий и обращенных к спутниковой орбите
1.4.Орбитальные космические станции
Орбитальная космическая станция представляет собой совокупность соединенных (состыкованных) друг с другом элементов самой станции и комплекса ее средств. Все вместе они определяют ее конфигурацию. Орбитальные станции нужны были для проведения исследований и экспериментов, освоения длительных полетов человека в условиях невесомости и отработки технических средств космической техники для дальнейшего ее развития.
Главными достоинствами космических средств, при использовании их для изучения природных ресурсов и контроля окружающей среды являются: оперативность, быстрота получения информации, возможно доставки её потребителю непосредственно в ходе приёма , разнообразие форм наглядность результатов, экономичность.
Отметим, что внедрение космической техники отнюдь не исключает применения в ИПР и КОС самолетных и наземных средств. Наоборот, космические средства могут быть более, эффективно используют именно в сочетании с ними.
Помимо перечисления целей, выявилась эффективность использования космической техники для решения некоторых задач градостроительства, строительства и эксплуатации транспортных магистралей и другое.
2. Методы исследования Земли из космоса.
Под дистанционным зондированием понимают обнаружение, наблюдение и исследование земных образований или явлений, определение физических, химических, биологических и других характеристик (изменения параметров) объектов на расстоянии, с помощью чувствительных элементов и устройств, не находящихся в прямом контакте (непосредственно близость) с предметом измерений (исследований).
В основе этого метода лежит то важное обстоятельство, что все естественные и искусственные земные образования испускают электромагнитные волны, содержащие как собственное излучение элементов суши, океана, атмосферы, так и отраженное от них солнечное излучение. Установлено, что величина и характер идущих от них электромагнитных колебаний существенно зависят от вида, строения и состояния (от геометрических, физических и иных характеристик) излучаемого объекта.
Эти-то различия в электромагнитном излучении земных различных образований и позволяют применять метод дистанционного зондирования для изучения Земли из космоса.
Чтобы достигнуть чувствительных элементов приемных устройств, установленных на космическом аппарате электромагнитные колебания, идущие с Земли, должны пронизывать всю толщу земной атмосферы. Однако атмосфера пропускает далеко не всю электромагнитную энергию, излучаемую с Земли. Немалая часть её, отражаясь, возвращается на Землю, а некоторое количество рассеивается и поглощается. При этом атмосфера не безразлична к электромагнитным излучениям различной длины волны. Одни колебания она пропускает сравнительно свободно, образуя для них «окна прозрачности», другие – почти полностью задерживает, отражая, рассеивая и поглощая их.
Поглощение и рассеяние электромагнитных волн атмосферой обусловлены ее газовым составом и аэрозольными частицами, и в зависимости от состояния атмосферы она действует на изучение с Земли неодинаково. Поэтому на приемное устройство космического аппарата может только та часть электромагнитного излучения от исследуемых объектов, которая способна пройти сквозь атмосферу. Если влияние ее велико, то возникают существенные изменения в спектральном, угловом и пространственном, распределении излучения.
Почти всегда на излучение, идущее от земных образований, накладывается атмосферный фон, который искажает структуру электромагнитных волн, нанося определенную информацию о самой атмосфере, может служить ее оценке в зависимости от различных факторов.
Значение степени и характера влияния атмосферы, на происхождение сквозь нее электромагнитного излучения с Земли для излучения природных ресурсов из космоса весьма существенно. Особенно важно знать влияние атмосферы на прохождение электромагнитных волн при изучении слабо излучающих и плохо отражающих земных образований, когда атмосфера может почти полностью подавить или исказить сигналы, характеризующие исследуемые объекты.
Для изучения природных ресурсов из космоса подбирают такое время и условия, когда поглощающее и искажающие влияние атмосферы минимально. При работе в видимом диапазоне выбирается светлое время суток, при возвышении угла Солнца над горизонтом 15 - 35°, при невысокой влажности, небольшой облачности, возможности большой прозрачности и малой аэрозольности атмосферы.
Спектральный состав и интенсивность электромагнитных излучений земных различных образований определяются их абсолютной температурой, характером поверхности и физико-химическими свойствами.
3.Применение исследований Земли из космоса к различным областям народного хозяйства
3.1.Картография и геодезия
Еще одно актуальное направление дистанционного аэрокосмического зондирования — геологическое картографирование. Эти исследования показали, что каждый биологический тип покрытия соответствует почве с определенным физическим и химическим составом. Свойства же почв во многом зависят от материнской породы. Поэтому, изучая спектральные особенности растительности, можно достаточно точно выявить распределение горных пород в подпочвенном слое, особенно точно в тех регионах, где на развитие растительности не влияла деятельность человека.
Эффективность геологического картографирования зависит не только от спектральной информации, но и от текстурных признаков, т. е. от характера расположения характерных образований на поверхности наблюдаемого объекта. Так, например, благодаря участию специалиста-интерпретатора, хорошо знающего геологию региона, на территории Таджикистана выявлено более ста ранее неизвестных геологических структур и около 200 разных тектонических нарушений. По космической фотоинформации обнаружено более 9000 ледников площадью более 0,5 км2 каждый в этом районе, хотя ранее считалось, что их число не превышает 8745. При оценке же их динамики выявлено не 18, как предполагалось до начала исследований, а 80 пульсирующих ледников. По материалам космических фотосъемок сегодня изучены многие районы, которые могут оказаться перспективными при поиске нефти и газа. На некоторых участках Западной Сибири, Поволжья, Прикаспия и Средней Азии, отобранных именно таким способом, уже ведутся поисковые работы, причем с положительными результатами.
Изображения, полученные с помощью спутника ,позволили скорректировать и обновить некоторые существующие карты США масштабом 1:250 000 и менее. Свежая информация позволила выявить развитие городов со времени выпуска последних карт, изменения дорог и железнодорожных путей. В СССР изображения, полученные со станции «Салют», оказались незаменимыми для выверки железнодорожной трассы БАМ.
Изображения со спутников также были использованы для построения подробных карт, необходимых при строительстве дорог, прокладке железнодорожных путей и ирригационных каналов. Появилась возможность составлять карты подводного рельефа, например коралловых рифов, представляющих потенциальную опасность для мореплавания.
До появления спутников не существовало карт более чем половины территории Азии, Африки и Латинской Америки в масштабе крупнее 1:1 000 000. С помощью спутников стало возможным быстро и дешево составить отсутствующие карты и с приемлемой точностью исправить существующие, а также выявить районы, для картографирования которых требовалось получить изображения с более высоким разрешением с самолетов.
Основным фактором снижения стоимости картографирования является высокая скорость космической съемки по сравнению с другими методами. Например, план создания новой геологической карты Египта в масштабе 1:1 000 000 за десять лет при затратах 2,4 млн. долл. методом черно-белой аэрофотосъемки был изменен, когда стало ясно, что с помощью спутника удастся получить втрое более детальную географическую картину и вдвое сократить сроки при значительно меньшей стоимости.
3.2.Сельское и лесное хозяйство
Человек впервые оценил роль спутников для контроля за состоянием сельскохозяйственных угодий, лесов и исследования других природных ресурсов Земли лишь спустя несколько лет после наступления космической эры. Начало было положено в 1960 г., когда с помощью метеорологических спутников «Тирос» были получены подобные карте очертания земного шара, лежащего под облаками.
Эти первые черно-белые телевизионные изображения давали весьма слабое представление о деятельности человека, и, тем не менее, на одном из них были отмечены слабые пятна на снегу в северной Канаде, которые оказались следами расчистки лесов.
Вскоре были разработаны новые технические средства, позволявшие повысить качество наблюдений, были использованы достижения в области военных исследований по расширению возможностей обзора с высоколетящих разведывательных самолетов с помощью различной кинофотоаппаратуры и электронных приборов.
Информация извлекалась из многоспектральных изображений в видимом и инфракрасном (ИК) областях спектра, что давало возможность различать незначительные изменения ИК-излучения на Земле, не воспринимаемые глазом человека, но содержащие важную информацию. Аппаратура наблюдения была двух основных типов: камеры, заряженные пленкой, чувствительной только к ИК-излучению, и радиометры, представляющие собой специальные радиоприемники, настроенные только на длины волн ИК-диапазона.
Например, на первых ИК-фотографиях, полученных с исследовательских самолетов, можно было различать поля с нормально развивающимися и пораженными болезнями сельскохозяйственными культурами. Участки здоровых культур имели на фотоснимках ярко-розовый или красно-белый цвет, а пораженных культур - сине-черный цвет. При этом начало заболевания зачастую удавалось обнаружить раньше, чем фермеру на земле.
Многоспектральные датчики, широко используемые в настоящее время на спутниках наблюдения, основаны на едином принципе: объекты и явления на земной поверхности в общем случае можно распознать по энергии излучения, которое они испускают или отражают. Спектральная характеристика растительности иная, чем горной породы, почвы или воды.
Эти различия регистрируются чувствительными приборами на борту спутника и могут быть преобразованы в зоны различной (условной) окраски в пределах, исследуемой области. Такой вид дистанционного зондирования поверхности Земли оказался столь эффективным, что позволил опознавать области выращивания отдельных сельскохозяйственных культур и изменения их спектральных характеристик, что дает такую информацию, как плодородие почвы, содержание влаги в почве, а также пораженность растений болезнями или насекомыми.
Одной из основных задач, решаемых с помощью космической техники, остается сельскохозяйственное дешифрирование. Оно направлено на оценку созревания различных культур, плодородия почвы и ее влажности, качества агрохимической и технической обработки, распределения температур в поверхностном слое почвенного покрова. Космическая информация позволяет наблюдать за динамикой растительности, определять наличие заболеваний и многое другое.
Исследователи также сосредоточили внимание на возможностях достижения лучшего использования ресурсов сельскохозяйственных культур и леса. Благодаря регулярным наблюдениям со спутников можно установить наилучшие сроки посева и жатвы, обеспечивающие максимальный урожай, путем контроля состояния почвы и содержания влаги; в период роста можно провести инвентаризацию культур и заблаговременно оповестить о засухе, наводнениях и эрозии.
Подобного рода сельскохозяйственное инспектирование позволило бы провести инвентаризацию на территории тропиков, потенциально пригодной для земледелия после расчистки, и получить информацию о плодородных и засушливых районах, которые можно сделать плодородными посредством ирригации.
Примером использования дистанционного наблюдения для решения наиболее трудных проблем человечества является случай с африканской прерией к югу от Сахары.
Несколько стран, расположенных на этой территории, обратились с просьбой осуществить ее обзор со спутника «Лэндсат» с целью облегчить последствия затянувшейся засухи. Изображения, полученные со спутника, позволили не только выявить районы, пригодные для земледелия, но и преподали ценный урок. С помощью спутника была обнаружена область неправильной формы с растительностью, которая выделялась на фоне окружающей выжженной земли. Оказалось, что это ранчо, где правильная организация хозяйства предотвратила оголение земли скотом.
Как и на любых полузасушливых землях, в данном случае периодичность выпаса и другие формы содержания домашнего скота могут предотвратить вторжение пустыни и бесплодие.
Другими словами, система наблюдения за естественными угодьями из космоса позволила установить наилучшие сроки выгона крупного рогатого скота на пастбища. Были подготовлены планы предотвращения чрезмерного выпаса и освоения новых районов для пастбищ; стало возможным оценить дополнительные ассигнования, требуемые для улучшения территорий угодий путем дренажа, ирригации, посевов и применения удобрений.
Лесное хозяйство
Как и в предыдущем случае, использование информации со спутников выявило ее неоспоримые преимущества при оценке объема строевого леса на обширных территориях любой страны. Стало возможным управлять процессом вырубки леса и при необходимости давать рекомендации по изменению контуров района вырубки с точки зрения наилучшей сохранности леса. В развивающихся странах повышается осознание необходимости разумного использования лесных ресурсов не только с целью удовлетворения потребностей в строевой древесине, но и для сохранения экологического равновесия и предотвращения эрозии, засорения плотин илом и загрязнения прибрежных вод.
Благодаря изображениям со спутников стало также возможным быстро оценивать границы лесных пожаров, особенно “коронообразных” , характерных для западных областей Северной Америки, а так же районов Приморья и южных районов Восточной Сибири в России.
3.3. Океанография
Кроме фотографирования океанов различные спутниковые системы позволяют получать информацию непосредственно с моря. Автоматические океанские буи могут измерять местные температуры воздуха и поверхности воды, температуру, давление и содержание соли на глубине, высоту волн и скорость поверхностных течений. Эта информация, переданная по команде на спутник, записывается и ретранслируется на одну из наземных станций для оперативного распространения.
В настоящее время можно получать информацию о состоянии моря непосредственно со спутника методами микроволновой радиолокации (обратное рассеяние).
Такие приборы дают информацию, которая может быть преобразована в температуру морской поверхности, скорость и направление ветра и количество воды в атмосфере. Они также позволяют получать изображения океанских волн, ледяных полей, айсбергов и ледовых путей (линейных открытых пространств во льду, по которым могут проходить суда), а также характеристики прибрежных участков морей.
Океанские течения часто искривляются, меняют курс и размеры. Когда это случается, планктон и рыба гибнут в огромных количествах, нанося непоправимый ущерб рыбным промыслам многих стран. Большие концентрации одноклеточных морских организмов Dinoflagellates повышают смертность рыбы, возможно, из-за содержащихся в них токсинов.
Вода приобретает красный цвет, подобно «красным приливам» у берегов южной Калифорнии и западной Флориды. Наблюдение за океанами со спутников помогает выявить «капризы» таких течений и дать полезную информацию тем, кто в ней нуждается.
Рыбаки Тихого океана используют информацию со спутников по расположению тепловых границ в океане, у которых обычно скопляются лососевые рыбы и тунец благодаря высокому содержанию корма в воде. Прибыль также была получена благодаря спутникам, поставляющим информацию о постоянно меняющемся пути течений Гольфстрим и Гольфлуп. В 1975 г. семь танкеров, принадлежащих фирме «Эксон», использовали спутниковую информацию о течении Гольфстрим для выбора рациональных маршрутов. Экономия топлива для всего флота фирмы, состоящего из 15 танкеров, была оценена в сумму около 360 000 долл. В настоящее время фирма использует спутниковую информацию для всех судов, курсирующих по маршрутам восточного побережья.
Что касается глубоководных наблюдений, то современные чувствительные приборы спутников способны «видеть» при чистой воде на глубине до 20 м. В Карибском море это, например, позволило составить карту ранее неизвестных мелей.
Исследования подобного рода приводят к созданию систем наблюдения, в которых с помощью различных типов спутников собирается информация о поверхности суши и океана с целью лучшего использования природных ресурсов.
Важно также значение таких наблюдений для рыболовства. Инфракрасные датчики на борту космических лабораторий могут измерять температуру поверхности океана и с большим быстродействием определять зоны теплых и холодных течений. Перемещение косяков рыб и других морских организмов зависит от состояния масс воды, которое также определяет концентрацию и распределение различных видов рыбы. Для такой информации в мировом масштабе потребовались бы десятки тысяч исследовательских судов.
Исследование природных ресурсов Земли такими чувствительными приборами, как многоспектральное видеоконтрольное устройство цветного изображения, предназначенное для съемки карт в инфракрасных лучах; радиолокационная установка с переменной апертурой и радиометр с получением изображений. Эти приборы предоставят информацию о1) прибрежных загрязнениях,2) сохранении и использовании рыбных запасов,3) прокладывании маршрутов судов с учетом океанских течений,4) учете силового воздействия волн при проектировании сооружений в открытом море и электростанций, использующих энергию волн,5) картировании полярных шапок, температур океана и ветров с целью лучшего предсказания изменений климата и погоды.
3.4.Навигация
Использование спутников для целей обзора облегчило задачу прокладывания курса морских судов. При эксплуатации советского атомного ледокола «Сибирь» была использована информация с четырех типов спутников для составления наиболее безопасных и экономичных путей в северных морях. В одном из таких плаваний ледокол прошел путь от Мурманска до Берингова пролива. Получаемая с навигационного спутника «Космос-1000» информация использовалась в вычислительной машине корабля для определения точного местоположения. Со спутников «Метеор» поступали изображения облачного покрова и прогнозы снежной и ледовой обстановки, что позволило выбирать наилучший курс. С помощью спутника «Молния» поддерживалась регулярная связь корабля с базой. Навигация судов в холодных морях полностью зависит от знания свойств, распределения, разнообразия и поведения льда и айсбергов. Для составления прогнозов необходима информация о температурах воздуха и моря, выпадении осадков, ветрах и течениях.
Сведения о толщине льда на озерах и реках, а также о ледовой обстановке на море можно получить со спутников с помощью инфракрасных датчиков в условиях отсутствия облачности. Пассивная микроволновая радиометрия, по-видимому, станет основой всепогодных систем, а фотографирование с высоким разрешением - средством контроля состояния побережья и прибрежных вод.
Навигация судов в холодных морях полностью зависит от знания свойств, распределения, разнообразия и поведения льда и айсбергов. Для составления прогнозов необходима информация о температурах воздуха и моря, выпадении осадков, ветрах и течениях.
Глоба́льная Навигацио́нная Спу́тниковая Систе́ма (ГЛОНА́СС, GLONASS) — советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации
Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19 100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. В настоящее время развитием проекта ГЛОНАСС занимается Федеральное космическое агентство (Роскосмос) и ОАО «Российские космические системы»[2].
ГЛОНАСС предназначена для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. Доступ к гражданским сигналам ГЛОНАСС в любой точке земного шара, на основании указа Президента РФ, предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений.
Для обеспечения коммерциализации и массового внедрения технологий ГЛОНАСС в России и за рубежом Постановлением Правительства РФ в июле 2009 г. был создан «Федеральный сетевой оператор в сфере навигационной деятельности», функции которого были возложены на ОАО «Навигационно-информационные системы».
Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка КА ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Тем не менее срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.
3.5.Экология и предсказание глобальных катастроф
Нефтяные загрязнения
Капитан танкера, который считает возможным отмывать резервуары в прибрежных водах, в будущем, вероятно, вступит в борьбу со спутниками, которые пристально наблюдают за его антиобщественной деятельностью. В отличие от плохой видимости нефтяных пятен с самолетов, обзор с которых в любом случае ограничен узкими полосами океана из-за малой высоты, эти пятна эффективно выявляются спутниками в глобальном масштабе, за исключением районов с устойчивой низкой облачностью. Для этих целей спутниковые датчики измеряют потоки солнечного света, отраженного от поверхности океана.
Излучение пролитой нефти резко отличается от излучения обычной океанской воды в близком к ультрафиолетовому диапазону. Поляризация в отраженном свете от нефтяных пятен также указывает на резкое отличие.
Можно не только различать легкие и тяжелые нефтяные фракции в одном пятне (легкие имеют более светлый оттенок), но и оценивать объем нефти на основе повторных наблюдений; знание типа и качества нефти поможет определить его месторождение.
Загрязнение воздуха
С изменениями циркуляции в атмосфере (и соответственно метеорологическими наблюдениями со спутников) тесно связана проблема загрязнения воздуха. Ежегодно выбросы промышленных предприятий, выхлопы автомобилей и другие источники образуют сотни миллионов тонн токсичных газов. Облака смога над Лос-Анджелесом и другими городами отчетливо видны на фотографиях, полученных из космоса.
Удивительное заключается в том, что, несмотря на ежегодные выделения огромных масс окиси углерода, стабильного роста ее концентрации не происходит. Следовательно, должен существовать некий природный механизм для удаления образующегося газа. Пока этот механизм не познан, невозможно предсказать, возрастет ли в будущем концентрация окиси углерода и если возрастет, то насколько.
Глобальное картирование областей атмосферы с высокой, низкой и средней концентрацией газа осуществляется корреляционным интерферометром - оптическим прибором, способным обнаруживать незначительные количества газообразных компонентов. Предполагается, что благодаря монотонному сканированию в течение длительных периодов времени прибор позволит выявить механизм изменения состава газа
Вызывает также опасение повсеместное возрастание количества двуокиси углерода в атмосфере из-за глобальных масштабов сжигания ископаемых топлив. Это производит эффект накрывания Земли все более толстым одеялом, которое продолжает пропускать солнечный свет, но снижает отражение теплового излучения обратно в космос и, таким образом, способствует накоплению тепла у поверхности. Если экстраполировать современные темпы сжигания ископаемых топлив, то к 2025 г. температура Земли теоретически вполне может повыситься на 5,5°С. Это не может не вызывать беспокойства, поскольку повышение температуры даже на доли градуса приводит к изменениям климата.
Вопреки ожиданиям не все результаты исследований удручают. Например, некоторые из них свидетельствуют о том, что окись углерода инициирует сложную совокупность химических реакций, которые могут привести к образованию животворного озона в нижних слоях атмосферы, а точнее в тропосфере на высотах 10-15 км.
Таким образом, важно то, что ученые постоянно следят за самыми различными воздействиями загрязняющих веществ на атмосферу в глобальном масштабе, и в этом деле ключ к решению проблем помогают найти спутники.
Хорошо известно, что солнечный свет, влага и осадки меняют характер, количество и распределение загрязняющих веществ в воздухе. Наблюдения со спутников позволяют не только точно указать концентрацию загрязнений в данной точке, но также тенденции их распространения и связь с местными погодными условиями.
Одной из наиболее важных областей исследований с помощью спутников является часть стратосферы, содержащая слой озона, который предохраняет Землю и ее обитателей от пагубного действия ультрафиолетового излучения Солнца.
Стратосфера, простирающаяся от верхней границы облаков до высоты около 50 км, содержит также слой пылеобразных частиц и мелких жидких капель (аэрозолей), который находится ниже зоны максимальной концентрации озона. Реактивные самолеты являются постоянным источником поступления аэрозолей и газов непосредственно в атмосферу; даже фторуглеводороды, используемые как рабочий газ в аэрозольных распылителях, в конце концов оказываются там. По этой причине в США было запрещено применение фторуглеводородов в аэрозольных распылителях, но им пока не найдено достойной замены в холодильниках, кондиционерах воздуха, производстве пенопластов, огнетушителей и других изделий.
Согласно оценкам, на долю США приходится немного менее 50% мирового производства фторуглеводородов.
Выбросы промышленных предприятий могут привести к чрезмерному скоплению аэрозолей и газа в стратосфере, вызывающему отрицательные изменения погоды и климата Земли. Беспокойство по этому поводу заставило ученых обратиться к исследованиям с помощью специализированных спутников. Стратосфера начинается от верхней границы облаков на высоте ~12 км и простирается до высоты ~50 км. Содержащийся в ней озон предохраняет нас от пагубного воздействия ультрафиолетового излучения Солнца. Стратосфера содержит также слой аэрозолей - мелких частиц или капель жидкости, который находится ниже зоны максимальной концентрации озона. Для исследования этих областей НАСА запустило спутник «Эксплорер-В» массой 147 кг, обращающийся по круговой орбите высотой 600 км. Он был оснащен приборами, обеспечивающими проведение эксперимента по изучению аэрозолей и газов в стратосфере. Специальный фотометр «смотрел» на Солнце сквозь стратосферные газы и аэрозоли при входе спутника на теневую сторону Земли и выходе из нее. Каждые 24 ч фотометр «наблюдал» 15 восходов и 15 закатов и регистрировал появляющийся или блекнущий свет в четырех цветовых диапазонах частот. Эта информация преобразовывалась с целью определения концентрации озона и аэрозолей. Четыре цветовых диапазона соответствовали длинам волн 1,0, 0,60, 0,45 и 0,38 мкм, т.е. от ближнего инфракрасного до голубого.
Аэрозольный слой на высотах 22- 28 км оказывает фильтрующее действие на количества достигающего поверхности Земли и отраженного солнечного света, который, в конечном счете, излучается в космос. Ученые озабочены тем, что повышение концентрации аэрозолей и химические превращения, происходящие под действием солнечного света, могут привести к постепенному изменению климата на Земле вплоть до возможности таяния полярных льдов и нарушения экологического равновесия.
Основными природными источниками аэрозольного слоя являются вулканы. Газ, выделяемый ими в стратосферу, превращается в капельки серной кислоты, отражающие тепло и блокирующие солнечное излучение.
Самое последнее понижение температуры произошло во время малого ледникового периода, между 1450 и 1615 гг. н. э., когда р. Темза в Англии промерзла так глубоко, что на льду можно было раскладывать костры и жарить быков. В Гренландии погибла основанная за несколько веков до этого периода скандинавская колония из-за того, что паковый лед сковал воды северной Атлантики, а холода заставили отказаться от земледелия.
По мнению НАСА, это похолодание явилось результатом почти непрерывной серии сильных извержений вулканов в сочетании с другими явлениями, возможно кратковременным изменением солнечной активности.
Если данная гипотеза справедлива, то она самым убедительным образом свидетельствует, сколь тонко сбалансирована экология нашей планеты и как важно понимать масштабы участия человека в загрязнении атмосферы.
Возможен ли прогноз землетрясений? Этот вопрос волнует ученых и общество, особенно там, где случаются землетрясения. Судя по последним событиям в Индонезии, Китае, Гаити, Японии, такой прогноз в настоящее время невозможен. В 1990-х гг. в научной среде возобладали пессимистические идеи, согласно которым прогнозировать землетрясения нельзя принципиально, поскольку они – случайные события. Но жизнь не стоит на месте, и в 2000-х гг. наметился некоторый оптимизм в решении этой трудной проблемы: получены новые данные о механизме землетрясений, появились прогрессивные методы их исследований из космоса. Катастрофическое землетрясение 11 марта 2011 г. в Японии снова породило волну пессимизма. Так, известный сейсмолог Роберт Геллер высказал мысль что теория «сейсмических зон молчания» («seismicgap») оказалась несостоятельной.
Единственной возможностью максимального снижения риска и минимизации последствий воздействия катастрофических вулканических извержений на природную среду и цивилизацию являются прогноз и своевременное оповещение о готовящихся событиях. Этим целям служит система космического мониторинга катастрофических явлений, которая предназначена для решения основных задач: обнаружение и выявление предвестников извержений; контроль происходящих событий; разработка сценариев динамики извержений с целью оценки их масштаба и влияния на природную среду. Созданы цифровые модели (3D) рельефа активных вулканов Камчатки и Курильских островов. Основными измерительными средствами для решения задач исследования природных ресурсов Земли и, в частности, успешно применяемыми для мониторинга вулканов являются: многоспектральный сканирующий радиометр (MODIS), усовершенствованный спутниковый радиометр высокого разрешения теплового излучения и отражения (ASTER). Компьютерная обработка радарных интерферометрических измерений (SRTM) и возможность построения новых трехмерных «цифровых слоев» позволяет достаточно оперативно оценивать границы и объемы изверженного материала во время извержения в реальном времени.
3.6. Использование полезных ресурсов Земли
Полезные ископаемые
Космические орбиты можно также использовать для зондирования земной коры и континентальных шельфов с целью поиска месторождений нефти, минералов и природного газа, и не случайно нефте- и горнодобывающие отрасли промышленности до сих пор были наиболее крупными потребителями информации со спутников .
С помощью спутников можно наблюдать особенности земной поверхности, в том числе крупные складки и разломы, которые дают ключ к природным кладовым; осуществлять поиск неизвестных месторождений нефти вдоль поперечных сбросов земной коры, соответствующих известным нефтеносным районам. Минералы, например хром, марганец, фосфор и другие, могут быть опознаны по цвету горных пород и по топографии местности.
Информация о зонах разломов и разрывов, полученная по изображениям со спутника, также была использована при выборе мест для атомных электростанций и линий прокладки трубопроводов.
Таяние снегов
Еще одной важной областью применения спутников в рамках программы использования природных ресурсов Земли (ИПРЗ) является регулярное получение фотографий снежного покрова Земли и гор. Точный прогноз таяния снегов имеет важное значение при планировании рационального использования воды для электростанций и ирригации, при контроле наводнений и оценке потребностей крупных городов в воде.
В аппаратах используются специальная пленка и светофильтры, воспринимающие различную информацию. Например, один из аппаратов регистрирует подробности строения почвы, включая содержание влаги и состав ее твердой части. Другая камера выбирает информацию о типах растительности, такой, как леса и сельскохозяйственные культуры. Третья камера настроена на извлечение данных о качестве воды в озерах и океанах, а также о масштабах загрязнений.
Наблюдения из космоса, подобные тем, которые осуществляются с борта орбитальных станций, настолько эффективны, что объем информации, получаемой за пять минут, может быть собран лишь за два года аэрофотосъемки.
Экипажи станции «Салют» проводили также исследования мирового океана, ледяного и снежного покровов, глобальные метеорологические наблюдения.
Важно также значение таких наблюдений для рыболовства. Инфракрасные датчики на борту космических лабораторий могут измерять температуру поверхности океана и с большим быстродействием определять зоны теплых и холодных течений. Перемещение косяков рыб и других морских организмов зависит от состояния масс воды, которое также определяет концентрацию и распределение различных видов рыбы. Для такой информации в мировом масштабе потребовались бы десятки тысяч исследовательских судов.
3.7.Космическая метеорология
После запусков спутников встал вопрос о практическом использовании разработанной техники. Возможности аппаратуры и самих спутников привлекли внимание метеорологов с точки зрения получения обычной регулярной информации о постоянно меняющейся погоде в мировом масштабе.
Огромное значение для человечества в целом имеет возможность наблюдения практически непрерывно за просторами Мирового Океана, этой “кузницы” погоды. Именно над толщами океанской воды зарождаются чудовищной силы ураганы и тайфуны, несущие многочисленные жертвы и разрушения для жителей побережья. Раннее оповещение населения часто имеет решающее значение для спасения жизней десятков тысяч людей.
Первый советский метеорологический спутник был выведен на орбиту 28 февраля 1967 г. С запуском в апреле того же года нового метеорологического спутника впервые начала работать экспериментальная метеорологическая система «Метеор» из двух одновременно действующих спутников и наземного комплекса управления, приема, машинной обработки и распространения поступающей из космоса информации.
Информация, получаемая от метеоспутников, находит широкое применение в оперативной работе наших метеорологов и используется метеорологическими службами других стран. Эти спутники позволили заблаговременно зарегистрировать образование многих тайфунов, предсказать ледовую обстановку в Северном Ледовитом океане и наступление дождей и снегопадов в период осеннего сева, сева озимых и уборки урожая, существенно улучшили прогноз погоды.
Большое значение имеет сочетание спутников, обеспечивающих детальное исследование состояния атмосферы, со спутником, достигающим в апогее большой высоты (типа ИСЗ «Молния-1), или с космическими станциями, находящимися на высоте нескольких десятков тысяч километров, что позволит увидеть общую картину развития атмосферных процессов на большом участке территории Земли. Важную роль в изучении процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы, играет ракетное зондирование. Большие перспективы имеет объединение ракетных и спутниковых измерений верхних слоев атмосферы в единую оперативную метеорологическую систему с эффектным разделением функций между этими двумя типами технических средств.
Начиная с 1966 г. Землю регулярно фотографируют, по крайней мере, один раз в сутки. Фотоснимки используют в повседневной работе, а также помещают в архивы. Метеорологическая информация, получаемая со спутников, неуклонно приобретает все более важное значение. В настоящее время она широко используется метеорологами и специалистами по окружающей среде всего мира в повседневной практике, и считаются почти обязательной для проведения анализов и краткосрочных прогнозов. Спутниковая информация оказалась особенно полезной в двух сферах исследования. В - первых, существуют обширные районы Земли, из которых метеорологическая информация, обычными средствами, недоступна. Это территории океанов северного и южного полушарий, пустынь и полярных областей. Спутниковая информация заполняет эти пробелы, выявляя крупномасштабные особенности из образований облаков. К таким особенностям относятся штормовые системы, фронты, наиболее значительные между волновые впадины и гребни, струйные течения, густой туман, слоистые облака, ледовая обстановка, снежный покров и отчасти направление, и скорость наиболее сильных ветров. Во - вторых, спутниковая информация успешно используется для слежения за ураганами, тайфунами и тропическими штормами. Спутниковая информация включает данные о наличии и расположении атмосферных фронтов, бурь и общего облачного покрова. В итоге в настоящее время спутник стал практически признанным инструментом метеорологов в большинстве стран мира. Карты погоды, которые вечером появляются на наших телевизионных экранах, со всей очевидностью свидетельствуют о ценности наблюдения со спутников в обеспечении метеорологических систем.
По существу, мы имеем длительно действующую космическую метеорологическую обсерваторию, значительно расширяющую возможности прогнозирования погоды. За сутки собирается объем сведений, который во много раз превышает информацию, поступающую от всех 10 тысяч метеорологических станций земного шара.
В решении труднейшей проблемы будущего, значение которой трудно переоценить, — проблемы управления погодой — космическая метеорология и средства космической техники, несомненно, сыграют решающую роль.
3.8.Космическая связь
Спу́тниковая свя́зь — один из видов радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников земли в качестве ретрансляторов. Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными.
Спутниковая связь является развитием традиционной радиорелейной связи путем вынесения ретранслятора на очень большую высоту (от сотен до десятков тысяч км). Так как зона его видимости в этом случае — почти половина Земного шара, то необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает — в большинстве случаев достаточно и одного.
Космическая техника открыла новый этап и в развитии радиосвязи. Использование искусственных спутников для целей связи имеет большое практическое значение, как для экономики народного хозяйства, так и для развития культуры. Аппаратура ретрансляции, устанавливаемая на борту спутника, позволяет передавать телевизионные программы, проводить одновременно большое число телефонных переговоров и телеграфных передач.
Первый спутник связи «Молния-1» в Советском Союзе был запущен 23 апреля 1965 г., а затем было выведено на орбиту еще несколько спутников этой серии.
Список литературы
1. Лебедев В. В. Мое измерение: Дневник космонавта . - М.: Наука, 1994. 432 с.
2. Лебедев В. В. Космическая география // Наука и жизнь, 1998, № 8. С. 34-39.
3. Лебедев В. В., Заболоцкий В. Р. Космос и экологически безопасное земледелие // Экология и жизнь, 1999, № 2. С. 44-47.
4. Лебедев В. В. Материалы научных исследований бортинженера 1-й основной экспедиции орбитального комплекса "Союз-Т-5" - "Салют" - "Прогресс". - М.: Наука, 2001. 362 с.
5. А. Д. Коваль, Ю. А. Тюрин «Космос – земле» М:; «Знание» 1989г.
6. «Космическая техника» под редакцией К. Гэтланда. Издательство
«Мир». 2006 г. Москва.
7. Интернет

Рис.7. Использование снимков Земли, сделанных со спутников, в картографии

Рис.8 . Исследование мирового океана из космоса

Рис.2 Союз -18

Рис.3. Орбитальная станция

Рис.4. Спутниковая система «ГЛОНАСС»

Рис.5. Космическая метеорология

Рис.6. Ураган Ирэн. Вид из космоса

Рис.9. Вулкан в Антарктиде. Снимок из космоса

Рис.10. За извержением вулканов специалисты наблюдают из космоса

Рис.1. Космическое землеведение