игнал «бип-бип...» первого советского спутника 4 октября 1957 г. возвестил о начале новой, космической эры в истории человечества. А спустя почти четыре года, 12 апреля 1961 г. Юрий Алексеевич Гагарин совершил первый полет человека в космос, взглянув на Землю со стороны, и стал зачинателем ее изучения с орбиты. 6 и 7 августа того же года Герман Степанович Титов , 17 раз обогнув планету, сделал несколько снимков ее поверхности, - с этого началась планомерная космическая фотосъемка.
С тех пор количество дистанционных наблюдений растет лавинообразно; появились разнообразные фотографические и нефотографические системы, в том числе многозональные фотокамеры, телевизионные камеры со специальной передающей электронно-лучевой трубкой (видиконом), инфракрасные сканирующие радиометры,Сканирующей называется аппаратура, обеспечивающая получение изображений в видимой или инфракрасной областях электромагнитного спектра путем последовательного построчного прослеживания участка местности. микроволновые радиометры для радиотепловой съемки, различные радары для активного зондирования (т. е. посылающие сигналы и регистрирующие их отражение от поверхности Земли). Значительно возросло и количество космических летательных аппаратов - искусственные спутники, орбитальные станции и пилотируемые корабли. Передаваемая ими обширная и разнообразная информация используется в ряде отраслей знания, включая такие науки о Земле, как геоморфология и геология, океанология и гидрография. В результате возникло новое научное направление - космическое землеведение, изучающее закономерности состава и строения геосферы, в частности рельеф и гидрографию суши, акватории океанов и морей.
Информация о любом уголке Земли, получаемая с помощью космических методов землеведения, характеризуется уникальностью, обзорностью и относительной дешевизной на единицу исследуемой площади, большой достоверностью и оперативностью, может повторяться с требуемой периодичностью или быть практически непрерывной. Космические методы позволяют выявить частоту нахождения, ритмичность и силу природных процессов глобального, зонального, регионального и локального характера. С их помощью удается исследовать взаимосвязь всех составных частей геосферы и создавать карты слабо изученных в топографическом отношении субтропических и тропических областей. Наконец, эти методы дают возможность в короткие сроки получить снимки огромных территорий и выявить единство пространственно разобщенных крупных элементов рельефа - гигантских кольцевых и линейных структур. Ранее существование некоторых лишь предполагалось, в лучшем случае недооценивалось, многие же совершенно не были известны. Ныне уже ни у кого не вызывает сомнений, что они имеют самостоятельное значение и определяют основные черты строения земной поверхности.
Космос - картографам
До последнего времени мелкомасштабные физические карты мира, континентов, отдельных государств или крупных регионов создавались путем сведения и преобразования материалов топокарт крупных и средних масштабов, основанных на данных аэросъемочных и наземных топографо-геодезических работ. Такое обобщение контуров зависит от действующих инструкций и приемов картосоставления, а также от ряда чисто субъективных факторов. Благодаря региональным и глобальным космическим снимкам автоматически удалось получить новые объективные физические карты и сопоставить эти реальные изображения лика планеты со старыми сводными. Оказалось, что они не схожи: на прежних отсутствуют не только кольцевые структуры и линеаменты, что мы уже отмечали, но и следы движения ледников, границы ландшафтных зон, ряд вулканов, звездчатые структуры, русла древних рек и высохшие озера.
Так, например, взгляд из космоса выявил неизвестные ранее вулканы в Южной Аравии и Западной Сахаре, в Мексике и на юго-западе США, а также под льдами Земли Элсуорта, у 80° ю. ш. (Антарктида). «С неба» были открыты древние вулканические постройки в Охотско-Чукотском регионе и газообразные выбросы над о. Беннетта (северная часть Восточно-Сибирского моря), зафиксированные четырежды на протяжении 1983–1984 гг.; направленная туда экспедиция обнаружила подводный вулкан.
На космических снимках некоторых районов Скандинавского п-ова и Малой Азии, северо-запада Ирана и Канады, запада США и на востоке Австралии удалось выявить новую форму - звездчатые структуры. По внешнему виду они похожи на трещины в стекле, пробитом пулей. Они установлены также в других областях, например на востоке Западно-Сибирской равнины и в среднем течении Подкаменной Тунгуски, но имеют менее четкие очертания.
Космические снимки позволяют получить объективную информацию об исчезнувшей в наше время гидрографической сети и высохших водоемах. По «небесным» данным на карты нанесены древние долины и дельты Сырдарьи и Амударьи, прежние русла Зеравшана и ряда притоков Амазонки, а также очертания значительных озер, занимавших некогда замкнутые котловины в Восточном Казахстане, Северо-Западном Китае и Южной Монголии. Например, размерами поспорить с Аралом могло подковообразное Джунгарское море: его реликты разбросаны на обширной территории - это Зайсан, Улюнгур, Эби-Нур и ряд мелких джунгарских водоемов. Другим, менее значительным, было Хами-Турфанское озеро, вытянувшееся по параллели на 500 км; оно заполняло обе эти впадины и пространство между ними. Следы древнего озера открыты из космоса и в Западной Сибири, в северной части Кондинской низины, близ 60° с. ш. Оно имело форму вытянутого в широтном направлении овала (300х100 км), что подтвердили полевые исследования.
Наконец, благодаря космической информации уточнены контуры Аральского моря, залива Кара-Богаз-Гол, ряда современных озер в Передней Азии (в частности, Зерайе) и в Южном Тибете (Нгангларинг и Тарок); там же открыты небольшие высокогорные водоемы.
Открытие кольцевых структур
На поверхности Земли давно были известны округлые или овальные тела - вулканы, кальдеры, трубки взрыва, метеоритные воронки, массивы. Но их количество и размеры, не превышавшие первых десятков километров, не производили впечатления. Правда, геологи и географы еще в XIX в. описали довольно крупные образования округлых очертаний (например, Парижский бассейн), а в середине нашего века вихревые структуры подробно изучил китайский геолог Ли Сыгуан , в частности, в центре Малой Азии он выделил одну крупную структуру, а на северо-западе Китая - две. Позднее ряд советских геологов, применив обычные («земные») методы исследований, описали несколько значительных кольцевых форм на Украине и в Казахстане, на Дальнем Востоке и Чукотке.
Однако до начала космической эпохи такие образования считались исключением, хотя уже было доказано, что с ними связаны месторождения металлов, включая золото и серебро. Дешифрирование космических снимков (т. е. выявление круговых или овальных форм, созданных дугообразным или концентрическим строением рельефа, берегов морей и озер, гидросети или растительного покрова, а также круговыми аномалиями рисунка и тональности изображения) сразу же изменило представление о распространенности и габаритах образований, названных кольцевыми структурами. Выяснилось, что вся поверхность суши нашей планеты буквально испещрена «оспинами» и «буграми», имеющими в поперечнике в основном 100–150 км; встречаются и огромные - диаметром в сотни и даже тысячи километров; мелкие (30–50 км), количество которых просто не поддается учету, практически всегда «вложены» в более крупные. Из многообразия известных ныне типов кольцевых структур особенно широко представлены купольные и купольно-кольцевые, т. е. положительные формы рельефа.
Особняком стоят гигантские кольцевые структуры, точнее овоидно-кольцевые системы сложного строения, впервые выявленные геологом Маратом Зиновьевичем Глуховским в 1978 г. по результатам геолого-морфологического анализа. Они получили название нуклеаров и отчетливо проступают на космических снимках всех континентов Земли, за исключением Антарктиды; поперечник некоторых достигает почти 4 тыс. км.
Кольцевые структуры Европы
На Европейском материке М. Глуховский выделил Свеконорвежский (900 км),Здесь и далее в скобках приводятся размеры по максимальной оси. Свекофеннокарельский (1300 км) и Кольско-Лапландский (550 км) нуклеары. Они приурочены к Скандинавскому п-ову и отдешифрированы по космическим снимкам. Прибалтийский (500 км), установленный им же по геолого-геофизическим данным и «с неба», занимает большую часть акватории Балтики. Скифский и Сарматский гиганты, с поперечником 1 тыс. км каждый, выявленные советским геологом Вильямом Артуровичем Бушем по геолого-морфологическим материалам, расположены в Европейской части СССР.
Кроме перечисленных нуклеаров, в пределах континента В. Буш выделяет ряд крупных поднятий; к ним относятся Орденеское (около 600 км) на северо-западе Пиренейского п-ова с четырьмя довольно значительными сателлитами; Чешское (около 400 км), включающее Рудные горы, Чешский Лес, Шумаву и Судеты; Паннонское (более 500 км), осложненное несколькими положительными и отрицательными структурами. На территории нашей страны он же отдешифрировал три овала диаметром от 300 до 400 км (с севера на юг) - Онежский, Молодечненский и Волынский и пять куполов (около 300 км в поперечнике) - Архангельский, Ленинградский, Тихвинский, Рыбинский и Горьковский.
Из отрицательных структур заслуживают упоминания близкие по размерам (200–260 км) Сегурская (юг Испании), Лигуро-Пьемонтская (север Италии) и Парижская, а также более крупная Будапештская (до 400 км) и самая значительная (около 450 км) Мезенская. Южнее ее располагаются две структуры неясного генезиса - Сухонская и Вычегодская (обе до 400 км в поперечнике). В контурах этих крупных образований, а также вне их обнаружены многочисленные формы, диаметры которых обычно меньше 100 км.
Кольцевые структуры Азиатской части СССР
Впределах Сибири и Дальнего Востока советские геологи отмечают значительное количество кольцевых структур различного «формата». Так, Владимир Васильевич Соловьев , в начале 70-х гг. проведя геолого-морфологический анализ, впервые выделил гигантскую Обскую (1500 км) структуру, захватывающую междуречье нижней Оби и Енисея. Как установлено позднее при дешифровании космических снимков, она является нуклеаром и по периферии осложнена значительно уступающими ей многочисленными образованиями, диаметр которых колеблется от 250 до 400 км. Из них отметим Ханты-Мансийскую и Вартовскую (около 400 км), имеющие концентрическое строение, причем их внешний контур проявляется менее четко, чем внутренний. Восточнее расположен Хета-Оленекский нуклеар (1100 км), занимающий центр и север Среднесибирского плоскогорья; он отдешифрирован по космическим снимкам М. Глуховским. В пределах этой структуры находятся поднятия типа Путорана (300 км) и Анабарского (230 км), выделенные В. Соловьевым, и ряд более мелких.
Южнее, в бассейне Ангары, по геолого-морфологическим материалам В. Соловьев откартировал еще одну крупную форму - Ангарскую (900 км). Он же в бассейне Алдана при анализе топографических карт описал гигантскую морфоструктуру центрального типа, позже получившую название Алдано-Становой (1300 км). В междуречье Вилюя и Лены в 1978 г. М. Глуховский по космическим снимкам выявил Вилюйскую структуру (750 км) с центральным овалом и системой дуг все более увеличивающегося радиуса. Позднее установлено, что все три образования следует причислить к нуклеарам. Контуры еще одного нуклеара - Амурского (1400 км), включающего ряд структур-сателлитов, намечены в основном по космическим снимкам.
Вне пределов перечисленных гигантов обнаружено множество овалов, большей частью приуроченных к северо-востоку материка. Крупнейший из них - « Верхнеиндигирский (500х350 км) с четко вырисовывающимся ядром; Омолонский (400х300 км), открытый В. Соловьевым, имеет концентрическое вихревое строение. Следует отметить и крупную, почти изометричную (500 км) Верхнеянскую структуру, выделенную по морфологическим и геологическим признакам.
Количество куполовидных или кольцевых поднятий диаметром до 200 км, отдешифрированных на обширных пространствах Северо-Востока, составляет несколько сотен. Они четко выражены в рельефе и располагаются в центральных частях или на периферии более значительных образований. Кольцевые структуры до 60 км в поперечнике исчисляются многими сотнями; обычно они круглой формы, реже имеют овальные контуры.
Анализ космических снимков Казахстана и Средней Азии выявил широкое распространение аналогичных образований размером от десятков до нескольких сотен километров. Из складчатых овалов отметим Кокчетавский (около 600 км), ядро которого впервые обнаружено Гюльсем Зигановной Поповой в начале 60-х гг. по геолого-морфологическим признакам; позднее он описан В. Соловьевым. Среди поднятий заслуживают упоминания полукольцевая структура в Каракумах, Северо-Тяньшаньская (350 км), охватывающая наиболее высокогорную часть хребтов Кюнгёй- и Терскей-Ала-Тоо, а также Памирская (около 600 км), частично находящаяся в пределах зарубежной Азии. К отрицательным структурам относятся Северокаспийская (900х600 км) и менее крупные Южнокаспийская и Южноприбалхашская (до 400 км).
Кольцевые структуры зарубежной Азии
На территории зарубежной Азии В. Буш оконтурил восемь нуклеаров. Из них половина - «чисто» азиатских, расположенных на востоке материка: три (Синокорейский, Северокитайский и Индокитайский) имеют поперечник 600–800 км, а Южнокитайский крупнее - 1200 км. Они выявлены по геолого-геофизическим и геолого-морфологическим данным. Остальные представляют собой лишь обломки гигантских нуклеаров, разорванных при распадении материка Гондваны. Аравалийский является азиатской частью Сомалийско-Аравалийского, включающего также два осколка - п-ов Сомали и север Мадагаскара; Аравийско-Нубийский состоит из двух частей, меньшая расположена в Азии. К Дарваро-Мозамбикско-Пилбарскому нуклеару относится только юг п-ова Индостан, а к Индо-Австралийскому - участок, примыкающий к Бенгальскому заливу.
Кольцевые структуры меньшего размера, как и на других материках, накладываются друг на друга и пересекаются. Они характеризуются в основном почти округлой или овальной формой либо имеют незамкнутые контуры. Помимо овала в уже упоминавшемся Памирском поднятии, аналогичные образования дешифрированы в Южном Китае, в междуречье Ганга и Маханади, на севере и юго-востоке п-ова Индостан (Мадрасский овал, более 500 км), а также в Малой Азии (Киршехирский овал, 250 км).
К самым большим поднятиям континента В. Буш относит Хангай-Хэнтойское (до 1000 км) с незамкнутыми контурами. Более скромные по размерам образования того же типа: Шэньсийское (250 км) в Китае, Хамаданское (400 км), отвечающее наиболее приподнятым участкам горной системы Загроса, а также Диярбакырское (350 км), в междуречье верхнего Тигра и Евфрата.
Среди отрицательных структур выделяются три довольно значительные: Сирийская (750 км), Гильмендская (600 км) и Лхасская (500х250 км), полуовальной формы с извилистыми границами. Кроме них, выявлено несколько менее крупных в Малой Азии, Гоби, Монголии и на Аравийском п-ове.
Мелкие образования, представленные куполами или телами гранитных массивов диаметром менее 150 км, по подсчетам В. Буша, составляют более трех четвертей всех оконтуренных кольцевых структур Азии. Они уверенно выявляются во многих регионах материка, в частности на п-ове Индостан.
Кольцевые структуры Африки
Впределах Африканского континента советский геолог Евгений Дмитриевич Сулиди-Кондратьев в 1983 г. впервые выделил различные по размерам и происхождению кольцевые образования. К крупнейшим относятся семь нуклеаров: Западноафриканский, имеющий форму овала (3600х3000 км), Аравийско-Нубийский (2200 км), захватывающий часть территории Аравии; Центральноафриканский (2800 км), занимающий почти весь бассейн р. Конго; ТанзанийскийПриоритет в выделении этой гигантской структуры принадлежит советскому геологу Олегу Борисовичу Гинтову (1978), проанализировавшему геолого-морфологические материалы. (1400х850 км); Сомалийско-Аравалийский (1700 км) - примерно половина его находится в Индостане; Южноафриканский (2400 км); Дарваро-Мозамбикско-Пилбарский (1500 км), разорванный на четыре «куска», разместившихся на трех материках (Африка, Азия и Австралия), а также на о. Мадагаскар.
Кроме перечисленных гигантов, на Африканском континенте установлено множество положительных кольцевых структур меньшего диаметра, отнесенных к типу складчатых овалов. Из них самый значительный Габонский (1100 км), внутри которого размещаются два крупных купола - Северо-Габонский (около 500 км) и Шайю (300–350 км). Ахаггарский овал, имеющий поперечник более 1000 км, содержит пять куполов-сателлитов диаметром 300–400 км каждый. Немного уступает ему Северо-Суданский (около 1000 км по большой оси). В Западной Африке, близ атлантического побережья, выявлены три овала поменьше, в том числе Леоно-Либерийский, с нечетко проявляющимся концентрическим строением. В Центральной и Южной Африке отдешифрировано четыре структуры таких же размеров, включая описанный О. Гинтовым овал Зимбабве (с тремя сателлитами диаметром 300 км каждый) и Трансваальский с центральной впадиной.
Структуры типа куполов отдешифрированы не только в контурах овалов, но и за их пределами: на юге материка отмечаются два таких самостоятельных образования: Намаква (250 км) и Капский (200 км). Подавляющее большинство имеет поперечник менее 100 км; купола диаметром от нескольких километров до 20 км в основном соответствуют мелким массивам или вулканам - например Килиманджаро.
К наиболее крупным отрицательным кольцевым структурам относятся Таудени, Конго и Чадская - диаметр любой из них составляет около 1000 км. Менее значительные (450–650 км) впадины приурочены в основном к Северной Африке - Куфра, Алжиро-Ливийская и две к югу от Сахарского Атласа. Приблизительно таких же размеров депрессии выявлены на западе и юге материка, в том числе Калахари (до 600 км в поперечнике).
Кольцевые структуры Северной Америки
Американский геолог Джон Сол в 1978 г. описал самую грандиозную кольцевую структуру Земли - Североамериканскую (3700–3800 км), центр которой приходится на Гудзонов залив. В 1982 г. советский геолог Наталья Валентиновна Макарова отнесла ее к разряду нуклеаров.
В пределах этого гиганта Н. Макарова, кроме «наземных» материалов используя космические снимки, отдешифрировала множество кольцевых.структур-сателлитов различных типов и размеров. Отметим отчетливо выраженный в рельефе овал Слейв (более 500 км), расположенный между Большим Медвежьим и Большим Невольничьим озерами; овал Дубонт (около 350 км), выделенный по рельефу вокруг одноименного озера. Южнее намечены контуры двух крупных (400–500 км) форм - Атабасской и Виннипегской. К п-ову Лабрадор приурочено несколько образований: поднятия Центрально-Лабрадорское (750х550 км) и Унгава (около 500 км), а также две полукольцевые депрессии. Значительная (450 км) структура Уэйджер (по бухте того же названия) расположена у Северного полярного круга; ее северная часть низменная, а южная несколько приподнята. Большое количество куполов и депрессий от 50 до 400 км выделено между овалами и в их контурах; некоторые, наиболее отчетливо выраженные, были отмечены ранее американскими геологами, например горы Адирондак куполовидной формы, восточнее озера Онтарио.
На севере и юге материка Н. Макарова отдешифрировала еще два нуклеара. Северный (1500 км) охватывает весь Канадский Арктический архипелаг, за исключением трех четвертей Баффиновой Земли. В его пределах предположительно оконтурено несколько кольцевых структур, в основном соответствующих островам (например, Виктория, Элсмир) либо полузамкнутым акваториям типа бассейнов Фокс или Кейна. Основная площадь южного, Мексиканского нуклеара (1700–1800 км) приходится на одноименный залив; периферия структуры представлена сравнительно узкой полосой побережья от Флориды до Юкатана.
Колорадский нуклеар (1500х1300 км) на западе окаймлен береговыми хребтами, на востоке Скалистыми горами; центральная его часть является огромным сводом с просевшим ядром и дешифрируется как купол-сателлит, соответствующий Большому Бассейну; в его границах отмечено несколько сравнительно небольших (200–300 км) кольцевых образований.
Вне пределов нуклеаров Н. Макарова выявила ряд крупных форм; часть их хорошо выражена в рельефе, например Южноаляскинская (350 км), оконтуренная дугой Аляскинского хребта, Мичигано-Гуронская (500 км), имеющая почти безукоризненный контур. Другие проявляются лишь на космических снимках - к ним относятся Миссури-Иллинойсская (750 км), границами которой на юге и востоке служат давшие ей название притоки Миссисипи; Канзасская (600 км), на юге срезанная дуговыми нарушениями Уачитской полукольцевой структуры; Огайоская (около 500 км) с опущенной южной и приподнятой северной половинами. Два значительных поднятия отдешифрированы на мексиканской территории: Центральномексиканская (более 600 км), отличающаяся сложным строением, и кольцо Мехико (до 400 км).
Кольцевые структуры Южной Америки
Анализируя рельеф материка по топокартам и используя, правда, в меньшей мере, чем по другим континентам, космические снимки, советский геолог Яков Григорьевич Кац выделил ряд значительных структур. В первую очередь укажем на гигантский Амазонский нуклеар (3200 км), в пределы которого вошла вся северо-западная часть Южной Америки. Небольшие «обрывки» двух других, тяготеющие к атлантическому побережью, являются частями упомянутых ранее Центральноафриканского и Южноафриканского нуклеаров. Гвианское поднятие (1000–1200 км) отвечает одноименному плоскогорью, хорошо выраженному в рельефе и имеющему концентрическое строение.
К аналогичным, но менее крупным положительным образованиям отнесены Пираньяс (550 км) и Ресифи (500 км), приуроченные к восточному выступу материка. Далеко на юге, близ атлантического побережья, выделены еще два кольцевых поднятия - Уругвайское (600 км) и Буэнос-Айресское (450 км).
Четыре отрицательные кольцевые структуры диаметром от 300 до 550 км каждая отмечены в бассейне Амазонки, в том числе три - в ее долине. Восточнее низовьев этой реки расположена еще одна впадина - Мараньян (более 800 км), а к югу от нее другая - в верховьях р. Сан-Франсиску.
В системе Анд установлен ряд незначительных (10–50 км) форм, соответствующих либо вулканическим постройкам, либо мелким массивам.
Кольцевые структуры Австралии
Впервые кольцевые структуры материка установил советский геолог Анатолий Михайлович Никишин . В рельефе Северо-Западной Австралии четко вырисовывается поднятие, кольцевая форма которого хорошо очерчивается долинами пересыхающих рек Ашбертон и Де-Грей. Этот Пилбарский нуклеар всего лишь часть уже упоминавшегося нами Дарваро-Мозамбикско-Пилбарского. Он имеет четкое концентрическое строение благодаря нескольким «вложенным» овалам, а на юго-востоке осложнен кольцевой структурой Дисаппоинтмент (350 км).
На юго-западе континента выявлен нуклеар Ийлгарн, имеющий яйцевидный контур (1200х800 км). В его пределах обозначены три овала размером 100–300 км по большой оси, включая Остин. Значительная часть самой крупной из австралийских структур такого типа - Индо-Австралийской (около 2400 км) отмечена на севере; примерно треть ее приходится на п-ов Индостан. В пределах этого нуклеара выделено шесть овалов, в том числе Кимберли (400–600 км), с юга ограниченный дугообразными хребтами Дьюрак и Кинг-Леопольд. К центру Южной Австралии приурочен нуклеар Гоулер (около 1200 км), практически не проявляющийся в рельефе. Он осложнен двумя овалами и сравнительно крупной впадиной с наложенной на нее кольцевой структурой диаметром 300 км.
Помимо овалов-сателлитов, на континенте А. Никишин отдешифрировал три самостоятельных образования этого же типа, имеющих поперечник 200–250 км, - два на западе и один на востоке; в рельефе четко вырисовывается лишь полуовал Кеннеди, оконтуренный дугообразными участками русел ряда коротких рек бассейна Индийского океана.
В восточной Австралии по геолого-морфологическим данным выделены две крупные отрицательные кольцевые структуры: Эроманга (800 км), соответствующая Большому Артезианскому Бассейну, рассеченная параллельными долинами нескольких рек, и впадина Муррей (600 км), расположенная южнее и лишь на севере и юге не охваченная возвышенностями. В сердце материка выявлена гигантская структура Масгрейв-Макдоннелл (900 км), ядром которой служат системы одноименных хребтов.
Открытие и изучение линеаментов
На лике Земли - это давно отражено на ее физических картах - ясно видны гигантские прямые или слабо изогнутые линии: ровные контуры значительных по протяженности участков берега некоторых континентов и островов, водоразделов и горных систем, а также речных долин. Такие ориентированные в одном направлении контуры географических объектов американский геолог Уильям Хоббс в 1911 г. назвал линеаментами.Впрочем, еще в 1883 г. Александр Петрович Карпинский описал «зачаточный кряж» длиной 2300 км при максимальной ширине до 300 км, протягивающийся из Польши через Донбасс до Мангышлака. В 1892 г. французский геолог Марсель Бертран заложил основы учения о весьма протяженных линейных структурах, к которым тяготеют значительные формы рельефа, крупные нарушения земной коры, а также ровные побережья морей, проливов, заливов и т. д. Однако лишь в космическую эру они получили «права гражданства», более того - ныне с полным основанием считаются одной из главных особенностей структуры поверхности нашей планеты. На глобальных и региональных космических снимках, выполненных во все времена года и в разных зонах спектра, отчетливо дешифрируется огромное количество «штрихов», отсутствовавших на картах любого масштаба. При детальном изучении этих линий на локальных снимках вплоть до исследования их на местности («в поле») - выяснилось: их изображение складывается из хорошо выдержанных по простиранию границ ландшафтных зон, всевозможных уступов, цепочек озер и других понижений, линий дренажа поверхностных и подземных вод, ледниковых трогов, линий раздела различных типов почв или растительности. Протяженность наиболее крупных (глобальных) линеаментов достигает 25 тыс. км. ширина - первых сотен километров.
Линеаменты Европы и Азии
До начала космической эпохи были выделены лишь единичные гигантские линеаментные зоны (открывших их ученых мы отметим ниже). Дешифрирование космических снимков и обработка геолого-геофизических материалов дали возможность группе советских геологов во главе с В. Бушем охарактеризовать сеть крупнейших - глобальных и трансконтинентальных - линеаментов, выделив среди них пять групп.
Меридиональные, по В. Бушу, образуют равномерную систему сближающихся от экватора к полюсу линейных структур, расположенных в 600–800 км одна от другой и не отклоняющихся более чем на 15° от меридионального направления. Широтные приурочены в основном к северо-востоку Азии и находятся на расстоянии 800–1000 км друг от друга. К диагональным линеаментам отнесены структуры северо-западного, северо-восточного и дугообразного простирания (представители двух последних групп встречаются сравнительно редко).
К 1983 г. меридиональных линеаментов, или линеаментных зон, длина которых колеблется от 3500 до 18 000 км, по В. Бушу, было выделено 14. Самая западная, открытая в 1925 г. немецким геологом Хансом Штилле и получившая его имя, протягивается от Тронхейма, в Норвегии, на юг через озеро Мьёса, вдоль западного побережья п-ова Ютландия и меридиональную долину р. Рейна, где она выражена особенно отчетливо. Далее к югу по долине р. Роны зона прослеживается через о-ва Корсика и Сардиния на Африканский континент. Протяженность европейского отрезка «линии Штилле» составляет более 3500 км.
Заслуга выделения глобальной линейной Урало-Оманской структуры принадлежит А. Карпинскому: в 1894 г. он описал меридиональные нарушения, проходящие вдоль Уральского хребта и продолжающиеся до низовьев Амударьи. Французский геолог Раймон Фюрон доказал, что они тянутся через Иран далеко к югу - до о. Мадагаскар. По В. Бушу, эта линеаментная зона в виде широкой (более 300 км) полосы прослеживается от Пай-Хоя примерно по меридиану 60° по Уралу, через Каракумы и Иранское нагорье. За Оманским заливом зона отклоняется к югу-западу и достигает западного побережья Мадагаскара; длина ее определена в 15 000 км.
Енисейско-Салуэнский линеамент проходит от Карского моря по долине р. Енисей через стык Алтая и Западного Саяна. Затем он следует в Центральной Азии приблизительно по меридиану 95° в. д. через верховья Янцзы и вдоль сближенных долин Иравади, Салуина и Меконга. В Индийском океане линеамент представлен подводным Восточно-Индийским хребтом; общая длина его 9000 км.
К глобальным структурам В. Буш относит Верхояно-Марианскую (длина 18 000 км). В Ледовитом океане к ней принадлежит подводный хребет Гаккеля, далее она фиксируется на Новосибирских о-вах и через Верхоянское сооружение и хребет Сетте-Дабан прослеживается по Сахалину, Хоккайдо и Хонсю. Южнее линеамент проходит по о-вам Бонин и Марианским и, обойдя с востока о. Новая Гвинея, достигает акватории между Австралией и Новой Зеландией.
К категории наиболее четко дешифрируемых линеаментов принадлежит Чаунско-Олюторский (7500 км). От Чаунской губы он протягивается через весь северо-восток Азии примерно вдоль 170° в. д. до Олюторского п-ова. Здесь линеамент «ныряет» под воду (хребет Ширшова) и далее, почти не меняя направления, фиксируется в виде подводного Императорского хребта.
Группа широтных лииеаментов но количеству (шесть) и длине (7000–9500 км) уступает меридиональным. Самый северный из «широтников» начинается близ Воркуты и, проходя по стыку Полярного Урала и Пай-Хоя, устанавливается на севере Западно-Сибирской равнины и уверенно дешифрируется на плато Путорана. Далее он оконтуривает с юга Анабарское плато, пересекает Верхоянский хребет, а восточнее фиксируется в рельефе в виде кряжа Полоусный и хребта Улахан-Сис. Затем линеамент выявляется на Чукотском п-ове и прослежен на Аляске в виде широтного хребта Брукс; длина его - 7500 км.
Корякско-Ухтинский линеамент (7500 км) начинается от низовья Северной Двины и, пересекая Урал, оконтуривает с севера Сибирские Увалы. Затем он «заставляет» течь широтным курсом Нижнюю Тунгуску и Вилюй, а далеко на востоке проявляется в структурах Корякского нагорья того же направления.
Охотско-Московский линеамент, европейский отрезок которого выявлен советским геологом Дмитрием Михайловичем Трофимовым , начинается у Куршской косы (южное побережье Балтийского моря). Восточнее эта протяженная (9500 км) структура отмечается на Восточно-Европейской равнине широтными отрезками течения Волги и Камы. Не проявляясь на Урале, она проходит по центральной части Западно-Сибирской равнины, «диктует» широтное направление долин Ангары и Алдана, а также северного берега Охотского моря.
Из семи линеаментов северо-западной группы мы охарактеризуем три. Рекорд протяженности (25 000 км) принадлежит ныне Баренцевоморско-Тайваньской структуре, состоящей, по В. Бушу, из ряда параллельных ветвей, кулисообразно сменяющих одна другую. Западная прослежена от Нордкапа до Тимана (этот отрезок выявил X. Штилле). Затем она диагонально пересекает Средний Урал, Центральный Казахстан, всю Центральную и Юго-Восточную Азию и затухает на о. Калимантан. Более отчетливо проявляется восточная ветвь этого линеамента: она отмечена в Печорской низменности и на Западно-Сибирской равнине, выявлена в западной части Гоби и пустыне Алашань. Затем она достигает о. Тайвань и продолжается по дну Тихого океана.
Красноморско-Боденский линеамент (9000 км) берет начало на о. Ирландия и, проходя по Европейскому материку через Вогезы к Боденскому озеру, упирается в дугу Альп, где не проявляется. Снова линеамент дешифрируется далее к юго-востоку, в бассейне Савы. Затем он переходит на западное побережье Малой Азии и протягивается вдоль Красного моря в Индийский океан, вероятно, до Сейшельских о-вов.
Эльбско-Загросская структура (10 000 км) возникает у южного берега Исландии, по Фарерско-Исландскому порогу пересекает Атлантику и, возможно. Северное море, появляясь на континенте у основания Ютландского п-ова. Далее линеамент идет вдоль долин Эльбы и Одры, режет Карпаты (здесь он фиксируется в виде четкой зоны разломов) и выходит к Черному морю в низовьях Дуная; этот европейский отрезок структуры выявил X. Штилле. В Малой Азии линеамент дешифрируется в восточной половине Понтийских гор, вдоль хребта Загрос достигает Аравийского моря и протягивается параллельно всему западному берегу п-ова Индостан.
К группе «северо-восточников» принадлежит пять структур длиной от 4500 до 10 000 км. Одна из них, Алтынтагско-Охотская (8500 км) начинается на южном побережье Аравии и в море, возможно, соответствует подводному хребту Меррея. Выйдя на Азиатский материк, она определяет простирание нижних течений Инда и Сатледжа. В Гималаях, дешифрируясь лишь участками, линеамент отмечается в Тибете и четко проявляется в хребте Алтынтаг. Далее он пересекает в северо-восточном направлении пустыню Гоби и подходит к берегу Охотского моря близ Шантарских о-вов.
В группе дугообразных «состоят» четыре линеамента длиной от 3500 до 11000 км. Уже упоминавшаяся линия Карпинского (7500 км) начинается у гор Монтань-Нуар, на юге Франции. Огибая по дуге Альпы и Карпаты, она фиксируется в Свентокшиских горах, в районе Канева, Донецком кряже, Прикаспийской низменности и на п-ове Мангышлак. 3aтем линеамент проходит через Султан-Увайс, у 61° в. д., и прослеживается, по В. Бушу, до Сулеймановых гор.
Пальмиро-Барабинский линеамент (11 000 км), давно известный на отрезке Ливан - долина Куры, на юго-западе переходит в Африку. В Азии он прослежен через Апшерон, северное побережье Аральского моря и озеро Тенгиз в район юго-восточнее озера Чаны. На Среднесибирском плоскогорье он установлен вдоль широтного Московско-Охотского линеамента, а затем через Забайкалье и Приамурье достигает пролива Цугару.
Линеаменты других материков
Из-за относительно слабой изученности некоторых континентов (например, Южной Америки) и небольшой обеспеченности их территорий космическими снимками выделить сеть линеаментов, такую, как в Европе и Азии, пока не удается. Впрочем, это дело сравнительно близкого будущего. Ныне уверенно можно отметить лишь несколько единичных гигантских линейных структур. Так, на Африканском материке отдешифрировано продолжение меридиональной зоны Средиземное море - озеро Мьёса: от побережья Туниса оно пересекает Сахару на юг и достигает залива Биафра. Длина отрезка более 3500 км.
Атласско-Азовский линеамент, начинаясь на побережье Атлантики, проходит вдоль всей горной системы Атлас и через Сицилию и юг Апеннинского п-ова выходит к нижнему Дунаю. Далее он контролирует северный берег Азовского моря и долину нижнего Дона, заканчиваясь у Волгограда. Длина этой структуры на территории Африки 1500 км (общая протяженность - около 6000 км).
Широтный линеамент Бохадор-Рибат (около 5000 км), выделенный Я. Кацем, начинается у мыса Бохадор, на атлантическом побережье материка. Несколько отклоняясь к северу, он пересекает всю Сахару и достигает Суэцкого залива близ 30° с. ш. Далее, почти не меняя направления, структура протягивается через Аравийский п-ов и Иранское нагорье, заканчиваясь у 64° в. д.
К северо-восточной группе африканских линеаментов относится Леврие-Зоруг (около 3500 км). От бухты Леврие, у 21° с. ш., близ мыса Кап-Блан (ныне Нуадибу) он пересекает Сахару до мыса Зоруг, залив Сидра.
К северо-восточной группе африканских линеаментов относится Леврие-Зоруг (около 3500 км). От бухты Леврие, у 21° с. ш., близ мыса Кап-Блан (ныне Нуадибу) он пересекает Сахару до мыса Зоруг, залив Сидра. В Южной Америке по геолого-морфологическим данным Я. Кац выделил два линеамента - Амазонский (3500 км), контролирующий почти широтную долину Амазонки, и меридиональный Парагвайско-Паранский (2500 км). Их существование подтверждено дешифрированием космических снимков.
К линеаментным структурам, возможно, следует отнести и Долину МГГ в Антарктиде, открытую советскими исследователями.
Космос - океанологам
Изучение океана из космоса дало возможность впервые «окинуть взглядом» всю акваторию каждого из них, проследить поведение некоторых течений и ледового панциря в Арктике и Антарктике. Дистанционные наблюдения принесли ряд сюрпризов. Так, например, космические снимки с американского спутника, сделанные в течение августа - сентября 1964 г., убедительно показали, что у побережья Антарктиды от Берега Правды до Земли Эндерби постоянные полыньи встречаются значительно чаще, чем отмечала ледовая разведка с самолетов и судов. В начале 70-х гг. в Антарктике, Беринговом и Охотском морях были открыты крупные (до 200 км в поперечнике) ледовые вихри, твердые аналоги обнаруженных в 60-х гг. океанических вихрей.
Американским астронавтам с обитаемой орбитальной станции «Скайлэб» в 1973–1974 гг. удалось обнаружить искривление поверхности Атлантики типа провалов и воронок в акватории Бермудского треугольника. Исследованиями из космоса установлена прямая зависимость облачного покрова планеты от океанических течений (кстати, такая связь выявлена и с горными системами).
Наблюдениями «с небес» доказано, что упоминавшиеся ранее вихри - не единичное, а вполне обычное явление, обусловленное общим круговоротом океанических вод. Это открытие в 1978 г. сделал советский космонавт Владимир Васильевич Коваленок . Подлетая к Тиморскому морю, он четко зафиксировал искажение уровня Индийского океана, имеющее форму холма. Ряд океанологов воспринял эту информацию как ошибочную - ранее ничего подобного никто не отмечал. Вскоре, впрочем, сообщение В. Коваленка подтвердилось: в июле 1979 г. Владимир Афанасьевич Ляхов и Валерий Викторович Рюмин в северо-западной акватории Индийского океана, у 40° с. ш., при совершенно ясной погоде отметили водяную гряду широтного направления длиной не менее 100 км. Это локальное возвышение оказалось сравнительно высоким: тень от него образовала отчетливую зону вдоль северных скатов. Они же наблюдали участок подводного хребта к юго-западу от Гавайских островов. (Аналогичные сообщения поступали и ранее от советских и американских космонавтов, в частности В. Коваленок усмотрел отрезок Срединно-Атлантического хребта.) Впрочем, они все видели не сами подводные поднятия, а их «изображения», созданные планктоном или взвешенными в воде частицами, на расположение которых оказывает воздействие рельеф дна.
В. Ляхов с орбиты засек множество различных по габаритам водяных вихрей; удалось выяснить, что в экваториальной зоне доминируют вихри-антициклоны, а в более высоких широтах - их прямые противоположности.
В самое последнее время (1984) по данным, полученным с искусственных спутников, к югу от о. Шри-Ланка в Индийском океане открыта гигантская впадина - водная поверхность в ее пределах находится на 100 м ниже уровня окружающей акватории. Такие же «чаши» обнаружены близ Австралии и в Атлантике, у побережья Центральной и Южной Америки.
Веб-дизайн © Андрей Ансимов, 2008 - 2014 год
Райд Юлия
В реферате отражена история исследования Земли из космоса, опысывается опыт применения искусственных спутников для исследования природных ресурсов Земли.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
основная общеобразовательная школа №15
муниципального образования Успенский район
Райд Юлия Александровна
8 класс, 30.06.1997г.
Руководитель:
Старикова Татьяна Васильевна
Тел. 8861067251
Факс: 886104067226
2012 г.
I. Введение
История исследования Земли из космоса
II. Применение искусственных спутников для исследования природных ресурсов Земли:
1. Картография
2. Сельское хозяйство
3. Лесные пожары
4. Океанография
5. Рыболовство
6. Ледовая разведка
7. Нефтяные загрязнения
8. Загрязнение воздуха
III. Заключение. Выводы.
IV. Используемая литература:
Аннотация
В ряду разнообразных космических технологий можно выделить несколько блоков. Это - создание ракетно-космических систем и изготовление бортовой аппаратуры для них; телекоммуникационные (связь, телевидение и т. д.) и навигационные технологии (точное определение координат всевозможных наземных объектов); а еще - дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) - съемки нашей планеты со спутников, находящихся на околоземных орбитах.Если в первые годы развития практической космонавтики основное внимание уделялось созданию и совершенствованию ракетно-транспортных систем (в том числе и для решения военных задач), то в настоящее время, как свидетельствует, в частности, зарубежная аналитика, на первое место по прибыльности выходит блок исследований Земли из космоса. Их результаты используются в самых разных отраслях экономики. Только из космоса можно одновременно собрать глобальную информацию о состоянии атмосферы и океанов, сельском хозяйстве и геологии, о результатах деятельности человека, непрерывно изменяющей условия жизни на Земле (увы, не всегда в лучшую сторону!).
Сотрудниками лаборатории климатических исследований отдела исследований Земли из космоса ИКИ РАН накоплена и постоянно пополняется база данных спутникового мониторинга Земли, полученных в рамках программы
DMSP (Defence Meteorological Satellite Program)
с радиометрическими приборами на борту.
DMSP - это программа долговременного мониторинга Земли, поставляющая оперативную глобальную метеорологическую, океанографическую и солнечно-геофизическую информацию. Спутники наблюдения особенно эффективны для исследования природных ресурсов, которые меняются и возобновляются со временем.
I. История исследования Земли из космоса
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 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.
В мае 1963 г. американский астронавт во время полета на корабле «Меркурий» поразил наземный персонал сообщением о том, что он видит дороги, строения и даже дым из труб. Наземная служба управления приняла это за галлюцинации! Последующие полеты в космос подтвердили наблюдения Купера. На цветных снимках, сделанных астронавтами, были зафиксированы изменения в городской застройке и прогресс в сооружении новых дорог в течение шестимесячного интервала между полетами, были доставлены из космоса четкие изображения полей пшеницы. На некоторых космических снимках можно было выделить места выпадения дождя накануне вечером, причем не по виду мокрой земли, а по различным цветовым оттенкам, связанным с «развитием локонов» растительности. Вскоре были разработаны новые технические средства, позволявшие повысить качество наблюдений, были использованы достижения в области военных исследований по расширению возможностей обзора с разведывательных самолетов. 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. Изображения представляются в цифровой форме и передаются на параболические антенны наземных приемных станций, где они записываются на магнитофонную ленту.
II. Применение искусственных спутников для исследования природных ресурсов Земли
1. Картография
Одной из первых областей применения изображений земной поверхности, полученных в соответствии с программой исследования природных ресурсов, была картография. В доспутниковую эпоху карты многих областей, даже в развитых районах мира, были составлены неточно. Изображения, полученные с помощью спутников позволили скорректировать и обновить некоторые существующие карты масштабом 1:250 000 и менее. Свежая информация позволила выявить развитие городов со времени выпуска последних карт, изменения дорог и железнодорожных путей.
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. Основным фактором снижения стоимости картографирования является высокая скорость космической съемки по сравнению с другими методами
2. Сельское хозяйство
Используя полученные со спутника, исследователи могут идентифицировать отдельные культуры на полях. Среди различаемых культур злаки, кукуруза, соевые бобы, сорго, овес, травы (четыре вида), салат, горчица, томаты, морковь и лук. Ученые различают влажные засеянные поля и голую землю на больших площадях. Такие возможности позволяют осуществить глобальное наблюдение производства продуктов питания, которое поможет человечеству избежать опасности недостатка продовольствия. 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. С истема наблюдения за естественными угодьями из космоса позволила установить наилучшие сроки выгона крупного рогатого скота на пастбища.
3. Лесные пожары
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.
Благодаря изображениям со спутников стало также возможным быстро оценивать границы лесных пожаров. При обзоре территории Канады было зарегистрировано 42 очага огня в северной части одной из провинций, что позволило оценить масштабы опасности
4. 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).
5. Рыболовство
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. Благодаря спутникам, поставляющим информацию о постоянно меняющемся пути течений Гольфстрим, рыбаки использовали её для выбора рациональных маршрутов. 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. Проводятся исследования океанов с борта станций, а также со спутников, производящих измерения электромагнитного излучения морской поверхности в видимом, инфракрасном и микроволновом диапазонах.
Эти приборы предоставят информацию о
1) 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.
6. Ледовая разведка
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. Одно из наиболее впечатляющих изображений гигантского айсберга было получено с борта спутника во время его полета над Антарктидой 31 января 1977 г. По форме похожий на ботинок, а по размерам близкий к острову Роде, айсберг кажется покоящимся в заливе, но в действительности он находится в открытой воде и временно сел на мель севернее о-ва Джеймса Росса.
7. 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 диапазоне длин волн и близком к красному 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.
Многоспектральное развертывающее устройство (МРУ) такое устройство давало четыре синхронных изображения в различных диапазонах длин волн: полоса 4 (зеленая) - 0,5-0,6 мкм; полоса 5 (нижняя красная) - 0,6-0,7 мкм; полоса 6 (верхняя красная/нижняя инфракрасная) - 0,7-0,8 мкм; полоса 7 (инфракрасная) - 0,8-1,1 мкм. На спутнике «Лэндсат-3» устройс В полосе 7 наилучшим образом воспринимается распределение суши и воды; в полосе 5 - топографические особенности; в полосе 4 качественно различимы глубина и мутность стоячей воды; в полосе 6 наилучшим образом воспринимаются тональные контрасты, отражающие характер использования земли, а также в максимальной степени различаются суша и вода
8. 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.
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.
Пока этот механизм не познан, невозможно предсказать, возрастет ли в будущем концентрация окиси углерода и если возрастет, то насколько.
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. Самые плодородные земли могут превратиться в пустыни, а бесплодные районы стать источниками производства сельскохозяйственных культур.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.
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.
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
III. Заключение. Выводы
К огда потребовалось по-новому взглянуть на нашу планету с точки зрения проблем, связанных с истощением природных ресурсов, увеличением численности населения и загрязнением окружающей среды, ученые нашли выход в создании спутников для исследования природных ресурсов Земли. Только из космоса можно одновременно собрать глобальную информацию о состоянии атмосферы и океанов, сельском хозяйстве и геологии, о результатах деятельности человека, непрерывно изменяющей условия жизни на Земле (увы, не всегда в лучшую сторону!).
Спутники наблюдения особенно эффективны для исследования природных ресурсов, которые меняются и возобновляются со временем, таких, как возделываемая земля, леса, реки, прибрежная зона, подвергаемая эрозии, снег и зоны затопления.
Значение исследований природных ресурсов Земли получило широкое признание. Страны начали разрабатывать спутники для решения аналогичных задач, что положило начало постоянно действующей системе. накоплен значительный опыт исследований, результаты которых способствуют решению задач по экологии, геологии, развитию сельского хозяйства и других отраслей. Долгосрочной целью этого проекта является инвентаризация невозобновляемых и медленно возобновляемых ресурсов, таких, как минералы и ископаемые топлива, водные запасы, наблюдение за состоянием сельского хозяйства и атмосферы. Программа ориентирована на возможность опознавать, прогнозировать и в ряде случаев контролировать некоторые процессы, относящиеся к океанографии, климатологии, эрозии почвы и загрязнению воды, а также следить за потенциально опасными природными явлениями, такими, как наводнения, засуха, штормы, землетрясения и извержения вулканов
Сейчас в мировой космической деятельности, как правило, ориентируются не столько на отдельные национальные спутники, сколько на их группировки. Перспектива исследования Земли из космоса заключается в расширении и развитии международного сотрудничества.
Используемая литература:
1. Железняков. Советская космонавтика, 1998г.
2. Журнал «Коммерсант- Власть», №№ от10 и 17. 04. 2001г.
3. Использование материалов из сети «Интернет»
Каждая наука, изучающая Землю, применяет присущие ей методы, что позволяет получить комплексное знание о нашей планете.
Геологический метод сводится к изучению типов горных пород, которые обнаруживаются в обнажениях на поверхности Земли, вырытых шахтах и пробуренных скважинах. При нормальном напластовании слои осадочных пород в вертикальном разрезе располагаются по принципу, чем глубже, тем старше геологический слой. В настоящее время это кажется очевидным, но в XVII в. такая идея, обоснованная датчанином Н. Стёно (1638-1686), стала выдающимся открытием и первым шагом в создании научной геологической хронологии.
Палеонтологический метод - метод изучения возраста осадочных пород по окаменелым остаткам живых организмов.
Палеонтологический метод используется для анализа осадочных пород и пород, содержащих окаменелые следы живых существ. Слоям осадочных пород одинакового геологического возраста соответствуют окаменелые остатки живых организмов, соответствующих этому периоду. Принцип сформулирован английским ученым У. Смитом в 1817 г. Сегодня этот метод позволяет заглянуть в прошлое на 550-600 млн лет.
Изотопы - атомы определенного химического элемента с разными количествами нейтронов в ядрах.
Изотопные методы позволяют определять абсолютные возрасты ряда минералов. Они основаны на измерении содержания в минерале некоторых изотопов, накопившихся после его образования вследствие распада содержавшихся в нем радиоактивных веществ. Так, возраст свинцовых руд может быть оценен по отношениям радиоактивных изотопов свинца Pb 206 , РЬ 207 , РЬ 208 к нерадиогенному изотопу РЬ 204 . Если соотношение РЬ 2 °8 / РЬ 204 составляет 36,91, то возраст породы - 1,0 млрд лет, если 30,62, то - 4,0 млрд лет.
Геофизика - наука, изучающая физические свойства и состояния Земного шара.
Проникнуть глубоко внутрь Земли помогает система методов геофизики. Сейсмические методы используют акустические колебания. При взрывах и землетрясениях возникают упругие волны - продольные (разрежения и сжатия, звуковые волны в газе) и поперечные (сдвиговые, распространяющиеся только в твердых телах). Они распространяются в упругой среде с различной скоростью (продольные волны - около 8 км/с, поперечные - 4 км/с) и фиксируются с помощью приборов. Чем плотнее среда, тем выше скорость распространения упругих волн, тем слабее они затухают с расстоянием.
В случае однородности недр Земли сейсмические волны должны были, слегка ослабнув, дойти до любой точки поверхности Земли. Но Земля неоднородна, и эти волны, подобно волнам света и звука, отражаются и преломляются, а их траектории обычно искривлены. Через внутренние слои поперечные волны не проходят, поэтому ядро Земли, скорее всего, является жидким.
Гравиметрия изучает локальные изменения силы тяжести, которая возрастает от экватора к полюсам. На это распределение накладываются небольшие местные отклонения - гравитационные аномалии, обусловленные неодинаковой плотностью горных пород: над скоплениями тяжелых пород сила тяжести больше.
Магнитометрия изучает магнитное поле Земли. Магнитные аномалии указывают на залежи тех пород, которые способны намагничиваться. Яркий пример - Курская магнитная аномалия, самый крупный в мире железорудный бассейн с разведанными запасами богатых по содержанию руд - около 30 млрд т.
Электрометрия использует искусственно создаваемый электрический ток, силу которого измеряют в разных точках исследуемой площади для выявления пород с различной электропроводностью.
Космологические методы. Сравнительные методы изучения планет земной группы позволяют анализировать геологические процессы, которые могли происходить на Земле. К примеру, в качестве свидетельства практического завершения геологической истории Меркурия и Венеры рассматривают отсутствие на этих планетах вулканической и тектонической деятельности. В отличие от них на Земле такая деятельность продолжается.
Важную роль играет отождествление состава и структур геологических оболочек с составом и структурами метеоритов, образовавшихся из того же протопланетного вещества, что и наша планета.
Фотосъемка Земли с пилотируемых космических кораблей производится из ближнего Космоса (с высот до 500 км), с искусственных спутников - из среднего Космоса (от 500 до 3000 км), а с межпланетных автоматических станций - из дальнего Космоса (более 10 000 км).
На одном космическом снимке можно изучать одновременно крупные территории и выявлять важнейшие характеристики строения земного шара. При синхронном изображении на одном снимке атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы и др. становится возможным изучение взаимосвязи различных явлений природной среды. Инфракрасные изображения дают возможность судить о температурных различиях на разных участках земной поверхности и океана. Сопоставление изображений, полученных в волнах разной длины, позволяет анализировать минералогический состав залегающих пород, состояние посевов, загрязненность атмосферы и гидросферы и т.д.
Важнейшую роль в науках о Земле играет системный подход , который позволяет выявлять ее системные качества на разных уровнях исследования. Применительно к исследованию нашей планеты наиболее важны два системных уровня.
Первый уровень - Солнечная система. На этом уровне Земля рассматривается в качестве элемента этой системы. Такой подход позволяет выявить как сходство Земли с иными планетами и другими космическими объектами, так и обнаружить принципиальные различия между ними. Вне этого уровня невозможно решать проблемы происхождения Земли, поскольку она формировалась не автономно, а в составе Солнечной системы.
Второй уровень - планетарный. Здесь предполагается относительно обособленное исследование Земли, которая в этом случае сама предстает в качестве сложной системы. Такая система включает спектр подсистем, в первую очередь - геологических оболочек.
Обратимся к уровню Солнечной системы и рассмотрим этапы возникновения Земли как планеты.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
1. Общая характеристика дистанционных методов
2. Методы изучения Земли из космоса
2.1 Оптические методы
2.2 Радиотехнические методы
2.3 Спутниковые методы
3. Дистанционное зондирование Земли из космоса
3.1 Орбиты спутников
3.2 Прием спутниковой информации
3.3 Спутники для дистанционного зондирования
Заключение
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Космические средства дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в настоящее время получили широчайшее применение во всем мире, выросло разнообразие создаваемых типов космических аппаратов ДЗЗ и общее их количество. Получаемая ими космическая информация используется для решения многих хозяйственных и научных задач мониторинга окружающей среды. На этой основе достигается ощутимое повышение эффективности производственной деятельности в таких областях, как картографирование, землеустройство и землепользование, контроль источников загрязнения окружающей среды и наблюдение за экологической обстановкой, сельское хозяйство, лесозаготовки и лесовосстановление, планирование и поиск полезных ископаемых, прокладка рациональных маршрутов и т.д. Важнейшее значение имеют также многолетние ряды космических данных ДЗЗ для проведения климатологических исследований, изучения Земли как целостной экологической системы, обеспечения различных изысканий и работ в интересах океанографии, океанологии и других отраслей экономики и науки.
1 . ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСТАНЦИОННЫХ МЕТОДОВ
Для наблюдения Земли из космоса используют дистанционные методы: исследователь имеет возможность на расстоянии получать информацию об изучаемом объекте. Дистанционные методы, как правило, являются косвенными, т.е. с их помощью измеряют не интересующие нас параметры объектов, а некоторые связанные с ними величины. Например, нам необходимо оценить состояние сельскохозяйственных посевов. Но аппаратура спутника регистрирует лишь интенсивность светового потока от этих объектов в нескольких участках оптического диапазона. Чтобы «расшифровать» такие данные, требуются предварительные исследования, включающие в себя различные эксперименты по изучению состояния растений контактными методами; по изучению отражательной способности листьев в различных участках спектра и при различном взаимном расположении источника света (Солнца), листьев и измерительного прибора. Далее необходимо определить, как выглядят те же объекты с самолета, и лишь после этого судить о состоянии посевов по спутниковым данным.
Методы изучения Земли из космоса не случайно относят к высоким технологиям. Это связано не только с использованием ракетной техники, сложных оптико-электронных приборов, компьютеров, но и с новым подходом к получению и интерпретации результатов измерений. И хотя трудоемкие подспутниковые исследования проводятся на небольшой площади, они дают возможность обобщать данные на огромные пространства и даже на весь земной шар. Широта охвата является характерной чертой спутниковых методов исследования Земли. К тому же эти методы, как правило, позволяют получать результат за сравнительно короткий интервал времени. В настоящее время для Сибири с ее бескрайними просторами спутниковые методы естественно приемлемы.
Примеры изображений Земли из космоса представлены на рис. 1.1 и 1.2.
К числу особенностей дистанционных методов относится влияние среды (атмосферы), через которую проходит сигнал со спутника. Самый простой пример такого влияния - наличие облачности, закрывающей интересующие объекты и делающей невозможным наблюдения в оптическом диапазоне. Однако и при отсутствии облачности атмосфера ослабляет излучение от объекта, особенно в полосах поглощения составляющих ее газов. Поэтому приходится работать в так называемых окнах прозрачности, учитывая, что и в них имеют место поглощение и рассеяние излучения газами и аэрозолем. В радиодиапазоне возможно наблюдение Земли и сквозь облачность.
Информация о Земле поступает со спутников, как правило, в цифровом виде, что также характерно для дистанционных методов. Наземная цифровая обработка изображений проводится на ЭВМ; в настоящее время она относится к числу наиболее динамично развивающихся информационных технологий, применяемых в робототехнике, полиграфии, медицине, физическом материаловедении и т.д.
Современные спутниковые методы позволяют не только получать изображение Земли. Используя чувствительные приборы, удается измерять концентрацию атмосферных газов, в том числе вызывающих парниковый эффект. Спутник «Метеор-3» с установленным на нем прибором TOMS позволял за сутки оценить состояние всего озонового слоя Земли. Спутник NOAA кроме получения изображений поверхности дает возможность исследовать озоновый слой и даже изучать вертикальные профили параметров атмосферы (давление, температуру, влажность на разных высотах в сотнях точек в полосе обзора).
Дистанционные методы делят на активные и пассивные. При использовании активных методов спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного передатчика), регистрирует его отражение. Радиолокация позволяет «видеть» Землю сквозь облака. Чаще используются пассивные методы, когда регистрируется отраженная поверхностью энергия Солнца либо тепловое излучение Земли.
2 . Методы изучения Земли из космоса
2 .1 Оптические методы
Первые изображения Земли из космоса были получены с помощью фотокамеры. Эта методика применяется и в настоящее время. Спутник с фоторегистрацией «Ресурс-Ф1 М» (Россия) позволяет фотографировать Землю в интервале длин волн 0,4-0,9 мкм. Отснятые материалы спускаются на Землю и проявляются. Анализ снимков, как правило, проводится визуально с помощью проекционной аппаратуры, которая позволяет также получать цветные фотоотпечатки. Метод обеспечивает высокую геометрическую точность изображения; можно увеличить снимки без заметного ухудшения качества. Однако он малооперативен, поскольку изображение представлено в виде фотографий, а не в цифровой форме, и эффективен в видимом и ближнем ИК-диапазонах.
Этих недостатков лишены сканерные методы. Сканер с цилиндрической разверткой в принципе представляет собой маятник, закрепленный в одной точке и колеблющийся поперек направления движения аппарата (рис. 3). На конце маятника в его фокальной плоскости установлен объектив с точечным фотоприем ным устройством (фотоэлектронный умножитель, фотодиод, фоторезистор).
Рис. 3 - Схема сканирования поверхности Земли
При движении аппарата над Землей с выхода фотоприемного устройства снимается сигнал, пропорциональный освещенности в видимом или ближнем ИК-диапазоне того участка земной поверхности, на который в данный момент направлена ось объектива. Еслифотоприемное устройство-фоторезистор, то можно регистрировать излучение в тепловом ИК-диапазоне и определять температуру поверхности и об лаков. На практике сканер неподвижен, а качается (вращается) зеркало, отражение от которого через объектив попадает на фотоприемное устройство. Сканерная информация в цифровой форме передается со спутника в реальном времени или в записи на бортовой магнитофон, на Земле она обрабатывается на ЭВМ.
Линейный сканер содержит расположенные в линию неподвижные фоточувствительные элементы 190-1000 и более на приборах с зарядовой связью (ПЗС)-линейку ПЗС или несколько таких линеек длиной порядка сантиметра. На линейки через объектив фокусируется изображение земной поверхности, все элементы находятся в фокальной плоскости. Линейка, ориентированная поперек направления движения спутника, перемешается вместе с ним, последовательно «считывая» сигнал, пропорциональный освещенности различных участков поверхности и облаков. Линейные сканеры на ПЗС работают в видимом и ближнем ИК-диапазонах.
Сканер МСУ-СК, устанавливаемый на российских спутниках «Ресурс-О» и др., единственный, в котором реализован перспективный принцип конической развертки, заключающийся в перемещении визирного луча по поверхности конуса с осью, направленной в надир. Сканирующий луч описывает по сферической поверхности Земли дугу (обычно в переднем секторе сканирования). За счет перемещения спутника изображение представляет собой совокупность дуг. Достоинством такого вида развертки является постоянство угла между поверхностью Земли и направлением на спутник, что особенно важно при изучении растительности. Постоянно также расстояние L от спутника до каждой точки дуги, так что разрешение сканера МСУ-СК, в отличие от сканеров с цилиндрической и линейной разверткой, постоянно по всему изображению. При этом для достаточно больших участков изображения постоянно и атмосферное ослабление восходящего излучения и нет необходимости в атмосферной коррекции. Отсутствуют также искажения изображения за счет кривизны Земли, характерные для других сканеров.
2 .2 Радиотехнические методы
В общих чертах принцип активной радиолокации состоит в следующем. На спутнике устанавливается передатчик, посылающий с помощью антенны в направлении Земли импульсы с высокочастотным заполнением (рис, 1.15). После этого наступает пауза, в течение которой Производится прием отраженных сигналов. Если импульс отражается от некоторого объекта M, расположенного на расстоянии L от спутника, то отраженный сигнал вернется назад через интервал времени Дt=2L/c, где с-скорость света, множитель 2 учитывает, что сигнал проходит путь L дважды: от радиолокатора до объекта и от объекта до радиолокатора. Чем дальше объект от радиолокатора, тем больше Дt. Интенсивность отраженных сигналов зависит от дальности и различна для различных объектов, так как они отличаются размерами и электрофизическими характеристиками. Измеряя Дt, можно найти расстояние до объекта. Таким образом, средствами радиолокационной техники автоматически осуществляется сканирование по дальности, так как сигналы от разных объектов приходят в разнос время.
Для достижения высокого пространственного разрешения вдоль строки необходимо использовать очень короткие импульсы, поскольку электромагнитная волна распространяется со скоростью света, проходя 300 м за 1 мкс. Укорочение импульса приводит к уменьшению его энергии, что не всегда приемлемо, поэтому высокочастотное заполнение сравнительно длинного импульса (длительностью в несколько микросекунд) модулируют в передатчике специальным образом, а отраженный сигнал в приемнике сжимают (укорачивают). Для современной техники разрешение в 5-10 м не является пределом. Радиолокатор перемещается вместе со спутником, последовательно считывая по строкам сигнал интенсивностью, пропорциональной отражательной способности различных участков поверхности. Строки, как и в сканерах оптического диапазона, расположены поперек движения спутника. Отсюда следует, что антенна радиолокационной станции, принимающая отраженные сигналы, должна быть направлена именно в этом, боковом направлении (см. рис. 4), поэтому такого рода устройства называют радиолокационными станциями бокового обзора (РЛС БО).
Рис. 4 - Схема работы радиолокатора бокового обзора
Пространственная разрешающая способность РЛС БО в направлении движения спутника (разрешение между строками) зависит от направленных свойств приемной антенны. Антенна выполняет те же функции, что и оптическая система на рис. 5, суммируя в пределах аппертуры энергию, приходящую от некоторого участка местности М на Поверхности.
Чем меньше этот участок, тем лучше разрешение. Зависимость мощности на выходе антенны от углов у и 5, называемая диаграммой направленности антенны по мощности, аналогична показанной на рис. 6.
На практике применяются как РЛС БО с реальной апертурой (их называют также некогерентными РЛС БО), так и РСА-так называемые когерентные РЛС БО. Преимуществом некогерентных РЛС являются более широкая полоса обзора и относительная простота как самого радиолокатора, так и системы обработки информации. Радиолокационные системы с синтезированной апертурой позволяют получать наиболее высокое разрешение, но требуют сложной системы обработки на борту. В целом же пространственное разрешение РЛС БО (10-100 м для РСА и 1-2 км для некогерентных РЛС БО) сравнимое разрешением оптических систем. На рис. 5 представлено радиолокационное изображение горной местности на юге Красноярского края с разрешением 100 м, полученное с помощью РСА, установленного на космическом пилотируемом аппарате Space Shuttle (США).
Для сигналов РЛС очень важна их чувствительность к содержанию воды в объектах, так как наличие воды увеличивает проводимость среды и интенсивность отражения от нее. Как и в оптическом диапазоне в радиоволновом сигналы различной длины волны несут различную информацию об окружающей среде. В частности, для густой растительности интенсивность отражения в пределах сантиметрового диапазона растет приблизительно обратно пропорционально длине волны, а для редкой растительности-обратно пропорционально ее квадрату.
Для работы в радиодиапазоне весьма важна поляризация отраженной волны-направление вектора напряженности электрического поля Е. РЛС может излучать сигналы с горизонтальной поляризацией (вектор E расположен горизонтально) либо с вертикальной (вектор Е расположен вертикально), а иногда применяют оба вида поляризации: горизонтальную на одной длине волны, вертикальную - на двух. Отраженная от объекта волна может частично менять свою поляризацию, поэтому приемная антенна спутника нередко построена так, что бы принимать сигналы с двумя видами поляризации на каждой частоте. Сравнивая эти сигналы, т.е. оценивая анизотропию поляризации сигнала, можно получить дополнительные сведения об объекте, его структуре и электрофизических характеристиках. Если средства дистанционного зондирования оптического диапазона наиболее эффективны при изучении растительности, обнаружении пожаров, оценке температуры поверхности, то активные средства, работающие в радиодиапазонах, перспективны для получения сведений о почве и геологических структурах, при изучении водоемов, льдов на суше и на воде, в океанологии и несколько в меньшей степени для изучения растительности. Качество радиолокационной съемки не зависит от освещенности поверхности Земли и от наличия облачного покрова, что выгодно отличает эти системы от оптических средств дистанционного зондирования.
Космические платформы, оснащенные бортовыми радиолокаторами - наиболее дорогостоящие, крупногабаритные и массивные спутники из всех аппаратов, предназначенных для исследования Земли. В этом смысле рекордсменом был спутник «Алмаз-1А» с когерентной РЛС БО, имевший массу 18,55 т. Отметим, что на спутники одновременно с РЛС БО, как правило, устанавливают и аппаратуру дистанционного зондирования оптического диапазона.
К средствам активного радиолокационного зондирования относят также высотомеры и скаттерометры. Радиолокационные высотомеры применяют для измерения высотного профиля подстилающей поверхности с точностью 2-8 см и для получения информации о форме морской поверхности, гравитационных аномалиях, высоте волн, скорости ветра, уровнях приливов, скорости поверхностных течений, ледовом покрове и т.д.
Принцип действия скаттерометров (измерителей характеристик рассеяния) основан на зависимости эффективной площади рассеяния морской поверхности и ее анизотропии от скорости и направления ветра. Основным назначением их является определение синоптического поля ветра, что не требует высокого пространственного разрешения; скаттерометры создаются на основе РЛС с непрерывным излучением.
В заключение кратко остановимся на пассивном радиотехническом методе наблюдения земной поверхности из космоса - радиометрическом зондировании в микроволновом диапазоне (частоты 1-100 ГГц). Как и приборы дальнего ИК-диапазона, радиометры регистрируют собственное тепловое излучение поверхности. Обычно их калибруют в радиационных (радиояркостных) температурах Тя. По сравнению с зондированием в ИК-области спектра радиометрический метод обладает важными преимуществами: возможностью получения информации о параметрах верхнего слоя грунта (например, о влажности на глубинах до 1-2 м), о параметрах ледяного покрова, морского волнения и др. В этом диапазоне волн атмосфера практически прозрачна. По сравнению с ИК в радиодиапазоне наблюдаются значительные яркостные контрасты при одинаковых температурах объектов.
Вместе с тем радиометрическим методам свойственны и принципиальные недостатки: меньшее угловое разрешение, чем при инфракрасной радиометрии, а также более низкая абсолютная точность измерения температуры, так как в соответствии с формулой Планка при обычной температуре плотность потока мощности излучения в ИК-диапазоне во много раз больше, чем в микроволновом.
2 .3 Спутниковые методы исследования атмосферы
Искусственные спутники Земли позволяют не только наблюдать из космоса поверхность суши, водоемов и облаков, но и определять средами оптической спектроскопии концентрацию некоторых газов и аэрозолей.
Естественные и антропогенные примеси, вызывающие локальное загрязнение территорий, могут разноситься потоками воздуха по всему земному шару. Например, выбросы Норильского горно-металлургического комбината заметны на Аляске и в Канаде, в Японии идут кислотные дожди из-за промышленных выбросов в Китае. Основная роль и выявлении глобального загрязнения атмосферы отводится спутниковым методам. Для оценивания содержания малых газов, С02 и аэрозолей используют спутниковые спектрофотометры. На рис. 9, построенном по данным спутника TOMS/ЕР за 1 октября 1994 г., видны выбросы СO2 при извержении вулкана Ключевская сопка (отмечена крестом), Норильского комбината (стрелка) и выбросы из Китая (внизу рисунка).
Спектрофотометры УФ- и видимого диапазонов регистрируют интенсивность рассеянного «назад» излучения Солнца. Спектрофотометры ИК-диапазона фиксируют интенсивность прошедшего через атмосферу теплового излучения от поверхности Земли и облаков. Частицы аэрозолей, как правило, имеющие несферическую форму, пол действием воздушных потоков ориентируются приблизительно в одном направлении, поэтому солнечный свет, рассеянный аэрозолями, имеет эллиптическую поляризацию. Измеряя характеристики поляризации рассеянного излучения, можно оценить концентрацию аэрозолей.
При определении спутниковыми методами общего содержания озона О3 (ОСО) в атмосфере используются интенсивные полосы поглощения озона в УФ- и ИК-областях.
3 . Дистанционное зондирование земли из космоса
3 .1 Орбиты спутников
Траектория движения искусственного спутника Земли называется его орбитой. При выключенных маршевых реактивных двигателях свободное движение спутника под действием гравитационных сил и по инерции подчиняется законам небесной механики. Считая Землю строго сферической с равномерным распределением массы внутри нее, а действие гравитационного поля Земли единственной силой, действующей на спутник, можно решить так называемую задачу Кеплера, которая сводится к уравнению кривой второго порядка-эллипса (или окружности-частного случая эллипса);
md2r/dt2 = -гтМr/r3, где т-масса спутника, М=5,976-1027 г-масса Земли, г-радиус- вектор, соединяющий спутник и центр Земли, r-его модуль, г=6,67-10-14 м3/гс3-гравитационная постоянная. Решая уравнение в полярных координатах r, v, получаем
Рис. 10 - Эллиптическая орбита
Эллиптическая орбита, по которой вращается спутник (рис. 10, где в точке S находится спутник, а в точке G-Земля), характеризуется следующими параметрами: а = АО и b = ОС - большая и малая полуоси эллипса; е=(1-b2/а2)1/2- эксцентриситет орбиты", угол ПGS-угловая координата v радиуса-вектора (так называемая истинная аномалия); фокальный параметр р=b2/а; р=К/гт2М, где К-момент количества движения спутника. К параметрам орбиты спутника относится также период обращения Т-время между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки орбиты.
В рамках задачи Кеплера спутник движется в плоскости орбиты, проходящей через центр Земли. В так называемой абсолютной или звездной системе координат плоскость орбиты неподвижна. Абсолютная система-это декартова система координат с началом в центре Земли, неподвижная относительно звезд. Ось Z нaпpaвлeнa вдоль оси вращения Земли и указывает на север, ось X направлена на точку весеннего равноденствия, в которой находится Солнце 21 марта в 0 ч по всемирному времени, а ось Y перпендикулярна осям X и Z
В общем случае плоскость орбиты пересекается с плоскостью экватора Земли по так называемой линии узлов (см. рис. 11). Точка В, в которой орбита пересекает плоскость экватора при движении спутника с юга на север, называется восходящим узлом орбиты, точка H пересечения при движении спутника с севера на юг - нисходящим узлом. Положение восходящего узла определяется долготой восходящего узла, т.е. углом Щ между восходящим узлом и точкой весеннего равноденствия, отсчитываемым против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса. Для линии узлов задают два угла в плоскости орбиты. Угол щ-угловое расстояние, отсчитываемое от восходящего узла в плоскости орбиты до перигея орбиты П, т.е. ближайшей к Земле точки орбиты спутника; щ со называют аргументом перигея. Угол i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора, называемый наклонением орбиты, отсчитывается от плоскости экватора с восточной стороны восходящего узла орбиты, против движения часовой стрелки. По наклонению различают экваториальные (i = 0°), полярные (i=90") и наклонные (0 < i < 90°, 90 < i < 180°) орбиты.
Долгота восходящего узла Щ, наклонение / и аргумент перигея со характеризуют положение плоскости орбиты и ее ориентацию в пространстве. Форму и размер орбиты задают фокальный параметр р и эксцентриситет е. Для привязки движения спутника ко времени в число элементов вводится время прохождения спутником точки начала отсчета t0. Совокупность параметров Щ, щ, i, р, е, i0 называется кеплеровскими элементами или элементами орбиты.
Зная параметры Щ, щ, i, р, е и положение спутника на орбите в момент i0, можно найти это положение в любой другой момент времени
Рис. 11 - Диаграмма, иллюстрирующая вычисление положения спутника
спутник земля траектория зондирование
Пусть спутник движется вокруг Земли G по эллиптической орбите. Проведем из центра этой орбиты О окружность радиусом, равным большой полуоси эллипса (рис. 11). Предположим, что в момент /п спутник находился в перигелии орбиты П, а в момент сместился в точку S. Угол ПGS (между направлением на перигелий и радиусом-вектором), как указывалось, называется истинной аномалией v в момент t0. Проведем через S прямую, перпендикулярную к оси ОП и пересекающуюся в точке Р с окружностью. Угол ПОР называется эксцентрической аномалией Е в момент t0. Представим теперь точку, которая выходит из перигелия одновременно со спутником и движется по окружности равномерно со скоростью, равной средней скорости движения спутника по орбите. Эта средняя скорость называется средним движением и равна п=360°/Т, где Т-период обращения. Если в момент t0 такая точка займет положение Р" то угол ПОР" будет равен М=n(t0-tп). Эта величина называется средней аномалией в момент t0. Решая трансцендентное уравнение:
Е-esinE=М, называемое уравнением Кеплера, можно найти эксцентрическую аномалию Е. Истинная аномалия к характеризующая положение спутни- ки на орбите в абсолютной системе координат в момент t0, связана с Е И эсцентриситетом е соотношением
tgv/2=[(1+e)/(l-e)]I/2tgE/2.
Зная среднее движение п и истинную аномалию v в момент t0, можно вычислить tп и далее истинную аномалию v в момент t1 т.е. определить положение спутника на орбите.
Однако кеплеровские элементы дают лишь приближенное описание орбиты спутника. Вопервых, массы внутри Земли распределены неравномерно. Во-вторых, на движение спутника влияет сопротивление земной атмосферы. В-третьих, необходим учет светового давления солнечных лучей. В-четвертых, нужно учитывать притяжение Луны и Солнца и др. Влияние этих сил на движение ИСЗ мало по сравнению с силой притяжения Земли. Они называются возмущающими силами, а движение спутника с учетом их воздействия - возмущенным движением. Основным источником возмущений является первый фактор. Если учитывать только первую зональную гармонику в разложении гравитационного потенциала Земли (она описывает сжатие Земли с полюсов), то окажется, что в основном изменяется ориентация op- виты в пространстве, а форма и размеры орбиты остаются постоянными. За один оборот долгота восходящего узла Щ и аргумент перигея щ изменяются на
ДЩ = -0°,58 (R0/a)2cos2i/(1 - е2)2,
Дщ = 0°,29 (R0/a)2 (5cos2i- 1)/(1 - е2)2,
Где R0=6378,14 км - экваториальный радиус. Эти выражения, в первом приближении определяющие поправки к долготе восходящего узле Щ и аргументу перигея щ, позволяют уточнить положение орбиты в абсолютной системе координат.
Спутник, движущийся в земной атмосфере, испытывает аэродинамическое торможение, зависящее от плотности атмосферы на высоте Полета, от скорости спутника, площади его поперечного сечения и массы. Возмущение орбиты за счет аэродинамического торможения содержит регулярную и нерегулярную составляющие. К регулярным возмущениям приводит суточный эффект (ночью, т.е. в конусе земной тени, Плотность атмосферы на данной высоте меньше, чем днем). Движение воздушных масс, влияние потоков заряженных частиц, выбрасываемых солнцем, приводят к нерегулярным возмущениям. Для природоведческих спутников сопротивление атмосферы играет заметную роль только при низких орбитах; при высоте перигея более 500-600 км возмущающее ускорение от неравномерности распределения масс превышает на два порядка и более ускорение от торможения в атмосфере.
При высоте перигея от 500-600 до нескольких тысяч километров к основному возмущающему фактору добавляется давление солнечного света (вместо сопротивления атмосферы). Влияние этого давления проявляется в дополнительных малых периодических возмущениях элементов орбиты. Если же спутник движется так, что регулярно попадает в конус земной тени, то имеют место также и небольшие постоянные изменения элементов. Но ускорение за счет давления света на несколько порядков меньше возмущающего ускорения за счет основного фактора. Еще слабее влияние притяжения Луны и Солнца.
Спутники для дистанционного зондирования Земли запускают в основном на круговые орбиты. Малое значение эксцентриситета орбиты спутника NOAA-14, равное е = 0,0008831, достаточно типично. Такой спутник пролетает над различными участками Земли на одинаковой высоте, что обеспечивает равенство условий съемки. В этом случае справедливо соотношение:
В левой части стоит центробежная сила, справа-сила притяжения спутника к Земле. Здесь т-масса спутника, V-скорость его на орбите, M=5,976-1027г-масса Земли, R=R0+Н-расстояние между спутником и центром Земли, причем R0=6370 км-радиус Земли, H-высота спутника над поверхностью Земли, г-гравитационная постоянная. Таким образом, V=Mг/R2, период обращения спутника Т= - 2R/V.
Обозначим: B = (Мг)1/2 = 6,31-102 км3/2/с. Тогда V- B/R1/2, Т=2рR3/2/В.
Скорость перемещения подспутниковой точки по поверхности Земли V3 может быть определена по формуле V3=VR0/R
Пусть Н=1000 км, тогда R=7370 км. Используя приведенные формулы, находим, что скорость на орбите V=7,35 км/с, V3=6,35 км/с, период обращения Т= 105 мин.
Низкоорбитальные спутники (H<1000 км) обычно выводятся на приполярные солнечно-синхронные орбиты. Эти орбиты имеют наклонение относительно экватора, близкое к 90°, обеспечивают съемку всей поверхности Земли, включая полярные области. Поворот орбиты относительно Земли синхронизован с вращением Земли относительно Солнца, так что в течение всего времени угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце постоянен (рис. 4.3.). Это позволяет производить съемку приблизительно в один и тот же час местного времени в течение всего года. Наиболее удобное время для съемки-около 12 ч местного времени.
Рис. 12 - Солнечно-синхронная работа
3 .2 Прием спутниковой информации
Станции для приема информации со спутников на Земле (называмые земными) содержат антенну с опорно-поворотным устройством (ОПУ), радиоприемное устройство и средства обработки, хранения И отображения информации (рис. 13).
Наиболее употребительные зеркальные антенны с параболическим рефлектором наводятся ОПУ на спутник по командам компьютера, в который заложены орбитальные данные. В фокусе антенны уставлен облучатель, сигнал с которого усиливается малошумяшим усилителем (МШУ). Далее сигнал по кабелю Поступает на приемник, цифровой сигнал с выхода которого обрабатывается на компьютере.
Рис. 13 - Станция для приема информации с природоведческих спутников
Наиболее дорогостоящей частью станции является антенна с ОПУ. Чаще всего используются ОПУ с азимутально-угломестной подвеской антенны, позволяющие разворачивать ее на ± 180° по горизонтали и на 90° по углу места, отсчитываемому от горизонта к зениту. Азимуально-угломестная подвеска обладает принципиальным недостатком: в области углов места, примыкающих к зениту, образуется «мертвая зона», в пределах которой невозможно обеспечить связь со спутником. Это объясняется тем, что с ростом угла места ш требуемая угловая скорость вращения антенны вокруг вертикальной оси возрастает, стремясь к бесконечности при ш >90°. Поскольку реальная скорость поворота антенны конечная, то, начиная с некоторого значения угла места, луч антенны отстанет от перемещения спутника, и сопровождение срывается. Таким образом, когда спутник близок к зениту, такой вид подвески не позволяет качественно принимать изображения той местности, где находится станция.
Для устранения «мертвой зоны» при прохождении спутника через зенит можно ввести в ОПУ третью ось. Однако в этом случае конструкция ОПУ резко усложнится. Во избежание этого можно сохранить двухосное поворотное устройство, но разместить ортогональные оси так, чтобы «мертвая зона» находилась в наименее существенной для поддержания связи части небесной полусферы, например ближе к горизонту.
При выборе конструкции антенны приходится учитывать различные факторы, в частности особенности распространения радиоволн на трассе Земля-космос. Для передачи сигналов с природоведческих спутников чаще всего используют радиоволны дециметрового и сантиметрового диапазонов или соответственно частоты 300 МГц-30 ГГц. В этом частотном диапазоне отдельные полосы переуплотнены различными радиослужбами. Так, полоса 300 МГц-10 ГГц интенсивно используется наземными радиостанциями. При этом повышается уровень взаимных помех, снижается качество радиосвязи.
При прохождении радиоволн сквозь атмосферу Земли приходится учитывать влияние тропосферы (0-11 км) и ионосферы (выше 80 км), поскольку в указанном интервале частот они несколько затухают в атмосферных газах и осадках. При этом изменяется поляризация волны, возникают дисперсионные искажения.
При прохождении через ионосферу линейно-поляризованные (в частности, горизонтально и вертикально поляризованные) радиоволны расщепляются на два эллиптически поляризованных компонента (обыкновенный и необыкновенный), которые распространяются с разной скоростью из-за влияния магнитного поля Земли. В результате сложения этих компонентов в точке приема плоскость поляризации результирующей волны будет повернута на некоторый угол (эффект Фарадея), зависящий от электронной концентрации Тe в ионосфере и напряженности геомагнитного поля Н вдоль пути радиоволн в ионосфере. Для него характерна регулярная зависимость от времени суток, сезона и фазы цикла солнечной активности, а также случайные изменения, связанные с геомагнитными бурями и нерегулярными ионосферными неоднородностями. На частоте 1 ГГц угол поворота лежит в пределах 1-100° и уменьшается с ростом частоты как I/f2. Эффект поворота плоскости поляризации учтен в конструкции антенны: выбираются антенны и облучатели, способные принимать сигналы с круговой поляризацией, например спиральные антенны и спиральные облучатели.
При прохождении через ионосферу широкополосные сигналы искажаются, поскольку время распространения составляющих его спектра будет различно. Это явление, известное как относительная дисперсия, характеризуется разностью задержек между нижней и верхней частотами спектров сигналов, распространяющихся через ионосферу.
Относительная дисперсия зависит от Nc и Н и. обратно пропорциональна f3, на частоте 1 ГГц может иногда достигать 0,4 нс/МГц и приводить к искажению сигналов, при полосе частот 100 МГц это 0,4 мкс.
Мощность сигнала в месте приема может быть оценена из следующих соображений. Если L-расстояние между передатчиком и приемником, Рпер-мощность передатчика, то при условии, что излучение энергии происходит равномерно по всем направлениям (изотропный излучатель), вся энергия распределяется по площади сферы радиусом L, равной 4рL2 Мощность, приходящаяся на 1 м2, т.е. плотность потока мощности,
П = Pnep/4рL2.
Реально спутник передает информацию только в нижнюю полусферу, в сторону Земли. Поэтому приведенное выражение следует умножить на так называемый коэффициент направленного действия антенны (КНД) D?1-отношение плотности потока мощности, излучаемой антенной в направлении максимума ее диаграммы направленности (см. рис. 1.11 и 1.13), к плотности потока мощности, которая излучалась бы Изотропным излучателем, при условии равенства общей излучаемой Мощности. КНД связан с площадью апертуры S и длиной волны л соотношением D = 4рS/л2. Если излучение происходит равномерно во всех направлениях в нижнюю полусферу, то D=2. На природоведческих спутниках обычно устанавливают передающие антенны с D=3~4, что позволяет земным станциям принимать информацию практически с любых направлений - от горизонта до горизонта. Таким образом,
П=PперD/4рL2,
Приемная антенна - это барьер, поглощающий поток энергии, Изучаемый передающей антенной. Пусть площадь апертуры приемной антенны равна S. Если пренебречь потерями в приемной антенне, ТО мощность сигнала на ее выходе
Pпр=SП=SPперD/4рL2,
В это выражение в явном виде не входит КНД приемной антенны, но с ростом S увеличивается отношение S/л2, увеличивается D и сужается диаграмма направленности. В результате снижается уровень помех и шумов, которые могут поступать в антенну с боковых направлений. Однако слишком узкая диаграмма направленности требует большой точности наведения антенны.
Пусть радиус апертуры приемной параболической антенны r=60 см: Pпер =5,5 Вт; D= 3; 870 км < L < 3400 км. Площадь апертуры антенны S=рr 2 =1,13 м2, при л=17,6 см ее КНД около 400, ширина диаграммы направленности по ее первому минимуму, определяемая согласно (1.7) как 0,61л/r около 10°. Эти реальные числа соответствуют мощности передатчика спутника NOAA, минимальному и максимальному расстоянию L от спутника до приемной станции, размеру антенны станции HRPT для приема информации с этого спутника. Расчет по формуле дает максимальное значение Pпр = 2-10-12 Вт, минимальное значение Pпр = 10-13 Вт. Современная радиотехника позволяет усиливать и более слабые сигналы, но при этом усиливаются также внешние по мехи и шумы и внутренние шумы радиоустройств.
Источниками внешних шумов в микроволновом диапазоне могут быть различные наземные радиопередатчики, существуют шумы и космического происхождения. Источником внутренних шумов радио устройств прежде всего является дискретная природа электричества, так как электрический ток-это поток дискретных частиц-электронов.
Интенсивность шума принято описывать следующим образом. Все источники внешних и внутренних шумов заменяются эквивалентным источником шума в виде некоторого активного сопротивления (резистора). Известно, что на зажимах резисторов из-за хаотического теплового движения электронов возникает разность потенциалов, изменяющаяся случайным образом. Средняя мощность такого шума (его называют тепловым) описывается формулой Найквиста; P=4kTДf, где к=1,38-10-23 Дж/град - постоянная Больцмана, Г-температура резистора, Дf-полоса частот, в пределах которой измеряется средняя мощность шума. Если входное сопротивление приемника равно входному сопротивлению антенны (т.е. приемник и антенна согласованы), то эквивалентная мощность шума
Рш = кТшДf.
В нашем случае Дf-ширина полосы пропускания приемника, равная, в свою очередь, ширине полосы частот, необходимой для передачи информации со спутника, Тш-эквивалентная шумовая температура антенны и приемника, не совпадающая с термодинамической температу рой, при которой находятся антенна и приемник. На прием сигналон с природоведческих спутников сильнее всего влияют внутренние шумы, и в первую очередь шумы первых каскадов усилителя радиосигналов. Поэтому во входных каскадах применяют малошумящие усилители (МШУ), которые конструктивно обычно совмещают с преобразоватечем несущей частоты сигнала в более низкую и помещают непосредственно в облучателе антенны. Современные МШУ имеют в микроволновом диапазоне Тш, порядка 40-70 К.
Пусть Тш= 70 К, Дf =2 МГц, что соответствует условиям приема сигналов со спутника NOAA. В этом случае Рш = 2-0-15 Вт, что на 2-3 порядка меньше мощности сигнала.
Мощность сигнала при прочих равных условиях определяется размерами антенны и ее КНД, средняя мощность шума - шумовой температурой. Отношение мощности сигнала к средней мощности шума (отношение сигнал/шум) является важнейшей характеристикой качества приема и зависит, таким образом, от отношения КНД антенны к шумовой температуре. Эту величину D/ Тш называют коэффициентом качества антенны. В рассмотренном примере коэффициент качества равен 5,7.
Выбор размеров приемной антенны определяется требованиями к коэффициенту качества и в конечном итоге - шириной полосы частот, необходимой для передачи информации со спутника. Последняя зависит от скорости передачи информации С. Для вычисления С необходимо знать параметры сканирующего устройства и скорость перемещения подспутниковой точки V3 по Земле. Если разрешение сканера вдоль направления движения спутника равно ДL, то в секунду считывается информация с V3/ДL строк. Пусть I - число бит, которое используется для записи яркости каждого пиксела, п-число спектральных каналов, К-коэффициент, зависящий от типа применяемого при передаче информации помехоустойчивого кодирования, K>2, N - число пикселов в строке, связанное с шириной полосы обзора G соотношением N=G/ДL. Тогда
С= V3NIKn/ДL= V3GIKn/ДL2
Например, для ДL= 1,1 км, V3= 6,56 км/с, G = 1670 км, I= 10 бит, п=5, К=1 скорость передачи информации С=500 кбит/с. Если ДL=100 м, что было бы очень желательно, то при тех же условиях С=50 Мбит/с. Улучшение пространственного разрешения приводит к увеличению информационного потока, который обратно пропорционален квадрату разрешения.
Полоса частот Дf, необходимая для передачи информации со спутника, зависит от вида модуляции высокочастотного колебания и ориентировочно равна (3-3,5)С. Для первого примера Дf= 1,5 МГц, для второго Дf? 150 М Гц. Очевидно, что при прочих равных условиях средняя мощность шума для второго примера на два порядка выше. Чтобы сохранить необходимое отношение сигнал-шум, требуется увеличить площадь антенны и ее КПД в 100 раз, а диаметр антенны - в 10 раз. Таким образом, если при скорости передачи в 500 Кбит/с, пространственном разрешении 1,1 км и полосе обзора 1670 км можно применять антенну диаметром 1 м, то при скорости передачи 55 Мбит/с, пространственном разрешении 100 м с сохранением той же полосы обзора - антенну диаметром 10 м.
Типичная земная станция HRPT для приема информации со спутников NOAA имеет параболическую антенну диаметром 1,2-1,5 м. В фокусе антенны установлен облучатель, сигнал с которого усиливается МШУ, а несущая частота сигнала преобразуется в более низкую. МШУ имеет Тш=60-80 К. Далее сигнал по кабелю поступает на приемник, который иногда оформлен в виде платы, вставляемой в персональный компьютер. Цифровой сигнал с выхода приемника обрабатывается на компьютерах. Обработка включает в себя секторизацию, т.е. «вырезание» из всего спутникового изображения интересующего участка, например размером 512x512 пикселов, лежащего вблизи надира. Далее выполняются геометрическая коррекция изображения и топографическая привязка его к карте, а также коррекция атмосферных искажений. Секторизованное и скорректированное изображение готово для дальнейшей обработки, целью которой обычно является улучшение качества изображения, распознавание объектов на изображении, определение их координат и других геометрических характеристик.
3 .3 Спутники для дистанционного зондирования
Спутник NOAA (США). Метеорологические и природоведческие спутники NOAA (рис. 4.5.) имеют длину 4,18 м, диаметр 1,88 м, массу на орбите 1030 кг. Круговая орбита имеет высоту 870 км, один виток спутник совершает за 102мин. Площадь солнечных батарей спутника 6м2, мощность батарей не менее 1,6 кВт, но со временем батареи деградируют из-за воздействия космических лучей и микрометеоров. Для нормальной работы спутника необходима мощность не менее 515 Вт.
В настоящее время на орбите функционируют несколько спутников. Сканер AVHRR спутника NOAA-14 с цилиндрическим сканированием имеет 8-дюймовую (20 см) оптическую систему Кассегрена, сканирование осуществляется путем вращения с частотой 6 об/с зеркала из бериллия. Угол сканирования ±55°, полоса обзора около 3000 км. Из- за кривизны Земли зона радиовидимости спутника составляет ±3400 км, поэтому за один проход спутника удается получить информацию с поверхности около 3000x7000 км.
Рис. 14 - Спутник NOAA (США)
Спектральные каналы сканера выбраны так, что попадают в окна прозрачности атмосферы:
1 - 0,58 - 0,68 мкм (красный участок спектра);
2 - 0,725 - 1,0 мкм (ближний ИК);
3 - 3,55 -3,93 мкм (участок ИК-диапазона, оптимальный для измерения излучения от лесных и других пожаров);
4 - 10,3 - 11,3 мкм (канал для измерения температуры поверхности суши, воды и облаков);
5 - 11,4 - 12,4 мкм (канал для измерения температуры поверхности суши, воды и облаков).
На спутнике NOAA-15 установлен дополнительный канал, работающий на волне длиной около 1,6 мкм для распознавания снега и льда.
В 1-м и 2-м каналах, спектральные характеристики которых приведены ниже, в качестве детекторов излучения применяются кремниевые фотодиоды. В 4-м и 5-м каналах установлены охлаждаемые до 105 К фоторезисторы на основе (HgCd) Те, в 3-м канале - охлаждаемый фоторезистор на основе InSb. На спутнике NOAA, как и на других спутниках, предусмотрена бортовая калибровка датчиков.
Рис. 15 - Спектральные характеристики 1-го (а) и 2-го (б) каналов сканера AVHRR
Сканер AVHRR имеет мгновенное поле зрения во всех каналах Дц=1,26-10-3 рад, разрешение на местности в подспутниковой точке выбрано ДL=1,1 км. Это связано с тем, что скорость спутника на орбите составляет 7,42 км/с, его проекция движется по поверхности Земли со скоростью 6,53 км/ч, сканер делает 6 сканов/с, за время одного скана проекция перемещается на l=6,53/6 км=1,09км. Указанному полю зрения в подспутниковой точке соответствует пиксел 1,1 х 1,1 км. Сигналы каждого канала квантуются на 1024 уровня (10-битное квантование). Передатчик спутника имеет мощность 5,5 Вт, частота 1700 М Гц. Скорость передачи цифровой информации со сканера AVHRR составляет 665,4 Кбит/с.
На спутнике установлена аппаратура HIRS для определения температуры в тропосфере на разных высотах (вертикальные профили атмосферы) в полосе обзора 2240 км. Для этого HIRS содержит автоматический сканирующий спектрофотометр ИК-диапазона, использующий свойство углекислого газа изменять положение и ширину линии поглощения на длинах волн порядка 14-15 мкм в зависимости от давления. Этот же прибор позволяет оценивать общее содержание озона ОСО в столбе атмосферы по поглощению теплового излучения от поверхности Земли и атмосферы на длине волны 9,59 мкм. И вертикальные профили, и ОСО вычисляются на приемном конце путем решения обратных задач.
Кроме указанной аппаратуры на спутник установлены; прибор SSU для исследования стратосферы; микроволновый прибор MSU для измерения температурных профилей стратосферы; аппаратура поиска и спасения по международной программе Kocпac/SARSAT; система ARGOS для сбора метеорологической и океанографической информации с автоматических метеостанций, морских буев и воздушных шаров; некоторые другие приборы. ARGOS позволяет следить за миграцией крупных животных и птиц, если к их телу прикреплены специальные малогабаритные передатчики.
Спутник «Ресурс-Ol» (Россия). Высота орбиты 650 км, период обращения 97,4 мин, угол наклонения орбиты 97°,97. Сканер МСУ-СК с конической разверткой имеет скорость сканирования 12,5 дуг/с; разрешение 150x250 м; полоса обзора 600 км; спектральные каналы: 0,5-0,6 мкм (зеленый участок спектра), 0,6-0,7 мкм (красный участок), 0,7-0,8 мкм (красный и ближний ИК), 0,8-1,1 мкм (ближний ИК), 10,5-12,5 мкм (тепловой, в этом канале разрешение 500 м). Сигнал каждого канала квантуется на 256 уровней. Масса сканера 55 кг.
Рис. 16 - Маршрут весеннего перелета (1995 г.) самца сокола-сапсана по данным ARGOS
На спутнике «Ресурс-01» (рисунок ниже) установлены также два сканера МСУ-Э с линейной разверткой, содержащие по 3 линейки на ПЗС по 1000 пикселов (по одной на каждый из 3 спектральных каналов). Разрешение 35x45 м, скорость сканирования 200 строк/с; полоса обзора каждого сканера 45 км; если включены оба сканера, то полоса обзора составляет 80 км, так как полосы обзора перекрываются. Над одной и той же точкой поверхности спутник пролетает один раз в 14 дней. Чтобы повысить регулярность приема, предусмотрено отклонение оси сканера на ±30° от надира в направлении, перпендикулярном направлению снижения спутника. Это позволяет смещать полосу обзора на ±400 км.
Спектральные каналы сканера: 0,5-0,59; 0,61-0,69; 0,7-0,89 мкм. Масса прибора 23 кг Результаты измерений передаются по радиоканалу на частоте около 8 ГГц со скоростью 7,68 Мбит/с, мощность бортового передатчика 10 Вт.
Рис. 17 - Спутник «Ресурс-01»
Спутник LANDSAT-5 (США). Высота орбиты 705 км, наклонение орбиты 98,2°, период обращения 98 мин. Над одной и той же точкой поверхности пролетает один раз в 16 дней приблизительно в 9ч 45 мин местного времени. Установлены 2 сканера с цилиндрической разверткой: Multi-Spectral Scanner (MSS) и Thematic Mapper (TM). MSS имеет спектральные каналы 0,49-0,605 мкм (зеленый участок спектра), 0,603-0,7 мкм (красный), 0,701-0,813 мкм (красный - ближний ИК), 0,808-1,023 мкм (ближний ИК), разрешение AL - 80 м, зона обзора 185 х 185 км. Сканирование осуществляется с помощью качающегося зеркала диаметром 30 см с частотой качания 13,62 Гц. Выходной сигнал квантуется на 64 уровня для каждого из каналов.
Thematic Mapper имеет разрешение ДL = 30 м во всех спектральных каналах, кроме шестого, где оно равно ДL = 120 м. 1-4-й каналы перекрывают диапазон 0,45-0,9 мкм; 5-й-1,55-1,75 мкм; 7-й-2,08-2,35 мкм; 6-й канал тепловой (10,4-12,5 мкм). Формирование изображения осуществляется с помощью вращающегося зеркала диаметром 53 см с частотой 7 Гц. В 1-4-м каналах в качестве фотоприемников применяются кремниевые фотодиоды, в 5-м и 7-м каналах - фоторезисторы из InSb, охлаждаемые до 87 К, в 6-м канале использован фоторезистор из (HgCd) Те. ТМ имеет полосу обзора 185 км, выходной сигнал каждого канала квантуется на 256 уровней, скорость формирования информационного потока 85 Мбит/с.
Если бы для каждого канала применялся один фотоприемник, то при указанных скоростях сканирования не удалось бы обеспечить указанного разрешения. Столь высокое разрешение сканеров достигнуто за счет применения линейки фотоприемников, ориентированной вдоль направления движения спутника, и последовательного считывания информации с элементов линейки.
Заключение
Космические средства дистанционного зондирования Земли в настоящее время получили широчайшее применение во всем мире, выросло разнообразие создаваемых типов космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и общее их количество. Получаемая ими космическая информация используется для решения многих хозяйственных и научных задач мониторинга окружающей среды.
Список литературы
1. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Метеорологическое зондирование атмосферы из космоса. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 279 с.
2. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 256 с.
3. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. М.: Изд-во МГУ, 1988. 327 с.
4. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. М.: Сканэкс, 1997. 296 с.
5. Киенко Ю.П. Введение в космическое природоведение и картографирование. М.: Картгецентр-Геодезиздат, 1994. 214 с.
6. Дистанционное зондирование: количественный подход: Пер. с англ. / Под ред. А.С. Алексеева. М.: Недра, 1983. 415 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Хронология изучения объекта J002E2. Тайна "нового спутника Земли" разгадана. Новая "луна", вращающуюся вокруг Земли. Космический каменный обломок, попавший в зону земного притяжения, или отработанный корпус ракеты?
реферат , добавлен 09.10.2006
Гипотеза о возникновении Луны – естественного спутника Земли, краткая история ее исследования, основные физические данные о ней. Связь фаз Луны с её положением относительно Солнца и Земли. Лунные кратера, моря и океаны. Внутреннее строение спутника.
презентация , добавлен 07.12.2011
Запуск первого в мире искусственного спутника Земли был осуществлен в Советском Союзе 4 октября 1957г. История создания первого спутника связана с работой над ракетой как таковой. Постановление о создании в СССР ракетной отрасли науки и промышленности.
реферат , добавлен 19.01.2011
Форма, размеры и движение Земли. Поверхность Земли. Внутреннее строение Земли. Атмосфера Земли. Поля Земли. История исследований. Научный этап исследования Земли. Общие сведения о Земле. Движение полюсов. Затмение.
реферат , добавлен 28.03.2007
Идея Н.И. Кибальчича о ракетном летательном аппарате с качающейся камерой сгорания. Идея К. Циолковского об использовании ракет для космических полетов. Запуск первого искусственного спутника Земли и первого космонавта под руководством С.П. Королева.
презентация , добавлен 29.03.2015
Реализация США устойчивой и доступной программы пилотируемого и автоматического исследования Солнечной системы и сфер за ее пределами. Индийская организация космических исследований (Isro). Космические программы Китая. Искусственные спутники Земли.
реферат , добавлен 11.11.2013
Начало проникновения человека в космос. Запуск Советским Союзом первого в истории человечества искусственного спутника Земли. Первые "космонавты", этапы их отбора и подготовки. Полёты человека в космос. Роль Гагарина, Титова в развитии космонавтики.
реферат , добавлен 31.07.2011
К.Э. Циолковский как основоположник космонавтики в России. Важнейшие этапы освоения космоса. Запуск первого искусственного спутника Земли Спутник-1. Первый отряд космонавтов СССР. Первый полёт человека в космос. Исторические слова Юрия Гагарина.
презентация , добавлен 11.04.2012
Гипотеза гигантского столкновения Земли с Тейей. Движение Луны вокруг Земли со средней скоростью 1,02 км/сек по приблизительно эллиптической орбите. Продолжительность полной смены фаз. Внутреннее строение Луны, приливы и отливы, причины землетрясений.
отчет по практике , добавлен 16.04.2015
Солнечная система, ее строение и место Земли в ней. Данные исследования метеоритов и лунных пород и возраст Земли: фазы эволюции. Строение Земли: гидросфера, тропосфера, стратосфера, атмосфера и литосфера. Сильно разреженная часть атмосферы – экзосфера.
Космические методы исследования почв в последнее время достаточно часто применяются для оценки общего состояния грунта. С повышением количества спутников на орбите стало возможным выполнять различные снимки и использовать их в дальнейшем для определенных целей.
Как проводится исследование
Космические методы исследования почв используются в том случае, когда необходимо провести оценку больших участков и собрать полный комплекс информации. За счет применения передового оборудования удается получить максимально точные и детализированные снимки, тщательно изучить состояние пород и составить определенные карты.
Основной недостаток – космические методы исследования почв позволяют получить только общую информацию. Для более детализированного изучения потребуется воспользоваться другими методиками и провести оценку на месте.
Но данное направление имеет и ряд преимуществ. Удается собрать информацию о всех проблемных областях, определить масштабные изменения, которые могут сказаться на экологии или дальнейшем использовании почв для различных целей. Данные методики будут актуальны в случае изучения огромных участков, если нет других вариантов для сбора информации.
Чтобы воспользоваться космическими методами исследования почв, потребуется обращаться в специализированные органы, которые имеют доступ к орбитальным аппаратам. Поэтому данный способ применяется геологами и различными исследовательскими центрами для изучения состояния отдельных территорий в нашей стране.
Как провести изучение почвы?
Если вам потребовалось провести исследование непосредственно на месте и необходимы максимально точные параметры, то стоит обратиться в АНО «Центр экологических экспертиз».
Наши сотрудники готовы принять заявку от клиента и приступить к ее исполнению. Все этапы осуществляется в максимально короткие сроки, подготавливается официальное заключение. Документы соответствуют полному перечню требований и могут свободно использоваться вами в дальнейшем.
Преимущества компании:
- Невысокие цены на услуги.
- Небольшие сроки выполнения исследований.
- Индивидуальный подход к каждому заказу, тщательно подбираются методики и оборудование для анализов.
- Фирма располагает собственной лабораторией, которая оснащена передовым оборудованием. Происходит постоянное обновление техники для повышения качества услуг.