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
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.
При геологических изысканиях, проводимых с летательных аппаратов, фиксируется излучение или отражение электромагнитных волн природными объектами. Методы дистанционного зондирования условно подразделяются на методы изучения Земли в видимой и ближней инфракрасной области спектра (визуальные наблюдения, фотосъемка, телевизионная съемка) и методы невидимого диапазона электромагнитного спектра (инфракрасная съемка, радиолокационная съемка, спектрометрическая съемка и др.). Остановимся на краткой характеристике этих методов. Пилотируемые космические полеты показали, что, какой бы совершенной не была техника, нельзя пренебрегать визуальными наблюдениями. Началом их можно считать наблюдения Ю. Гагарина. Самое яркое впечатление первого космонавта-вид родной Земли из космоса: «Отчетливо вырисовываются горные хребты, крупные реки, большие лесные массивы, пятна островов… Земля радовала сочной палитрой красок…». Космонавт П. Попович передавал: «Хорошо видны города, реки, горы, корабли и другие объекты». Таким образом уже с первых полетов стало очевидно, что космонавт может хорошо ориентироваться на орбите и целенаправленно наблюдать природные объекты. Со временем усложнилась программа работ космонавтов, все длительнее становились космические полеты, информация из космоса делалась все более точной, детальной.
Многие космонавты отмечали, что в начале полета они видят меньше объектов, чем в конце полета. Так, космонавт В. Севастьянов рассказывал, что в первое время мало что различал с космической высоты, потом стал замечать суда в океане, затем суда у причалов, а в конце полета он различал отдельные постройки на прибрежных участках.
Уже в первых полетах космонавты видели с высоты такие объекты, которые видеть теоретически не могли, так как считалось, что разрешающая способность человеческого глаза равна одной угловой минуте. Но когда люди стали летать в космос, оказалось, что с орбиты видны предметы, угловая протяженность которых меньше минуты. Космонавт, имея прямую связь с Центром управления полетом, может обратить внимание исследователей на Земле на изменение каких-либо природных явлений и обозначить объект съемки, т. е. при наблюдении динамических процессов возросла роль космонавта-исследователя. А имеет ли значение визуальный обзор для изучения геологических объектов? Ведь геологические структуры достаточно стабильны, и поэтому их можно фотографировать, а затем спокойно рассмотреть на Земле.
Оказывается космонавт-исследователь, прошедший специальную подготовку, может наблюдать геологический объект под разными углами, в разное время суток, увидеть его отдельные детали. Перед полетами космонавты специально летали с геологами на самолете, рассматривали детали строения геологических объектов, изучали геологические карты и космические снимки.
Находясь в космосе и осуществляя визуальные наблюдения, космонавты выявляют новые, ранее неизвестные геологические объекты и новые детали ранее известных объектов.
Приведенные примеры показывают большую ценность визуальных наблюдений для изучения геологического строения Земли. При этом, однако, надо учитывать, что они всегда содержат элементы субъективизма и поэтому должны быть подкреплены объективными приборными данными.
Геологи с большим интересом отнеслись уже к первым фотографиям, которые доставил на Землю космонавт Г. Титов. Что привлекло их внимание в геологической информации из космоса? Прежде всего они получили возможность с совершенно другого уровня посмотреть на уже известные структуры Земли.
Кроме того, стала возможной проверка и увязка разрозненных карт, так как отдельные структуры оказались взаимно связанными на больших расстояниях, что объективно подтвердили космические изображения. Также стало возможным получение сведений о строении труднодоступных районов Земли. Помимо этого, геологи вооружились экспресс-методом, позволяющим быстро собрать материал о строении того или иного участка Земли, наметить объекты исследования, которые стали бы ключом к дальнейшему познанию недр нашей планеты.
В настоящее время сделано много «портретов» нашей планеты из космоса. В зависимости от орбит искусственного спутника и установленной на нем аппаратуры получены изображения Земли в различных масштабах. Известно, что космические изображения разных масштабов несут в себе информацию о различных геологических структурах. Поэтому при выборе наиболее информативного масштаба снимка надо исходить из конкретной геологической задачи. Благодаря высокой обзорности на одном космическом снимке отображается сразу несколько геологических структур, что позволяет делать выводы о взаимосвязях между ними. Преимущество использования космической информации для геологии объясняется также естественной генерализацией элементов ландшафта. Благодаря этому маскирующее влияние почвенного и растительного покрова снижается и геологические объекты «выглядят» на космических снимках отчетливее. Фрагменты структур, видимые на космических фотоснимках, выстраиваются в единые зоны. В отдельных случаях удается обнаружить изображения глубоко погребенных структур. Они как бы просвечивают сквозь покровные отложения, что позволяет говорить об определенной рентгеноскопичности космических изображений. Вторая особенность съемок из космоса - возможность сравнивать геологические объекты по суточным и сезонным изменениям их спектральных характеристик. Сопоставление фотографий одного и того же участка, полученных в разное время, позволяет изучить динамику действия экзогенных (внешних) и эндогенных (внутренних) геологических процессов: речных и морских вод, ветра, вулканизма и землетрясений.
В настоящее время на многих космических аппаратах есть фото или телеустройства, которые проводят съемку нашей планеты. Известно, что орбиты искусственных спутников Земли и аппаратура, установленная на них, различны, что определяет масштаб космических изображений. Нижний предел фотографирования из космоса продиктован высотой орбиты космического летательного аппарата, т. е. высотой около 180 км. Верхний предел определяется практической целесообразностью масштабов изображения земного шара, получаемых с межпланетных станций (десятки тысяч километров от Земли). Представим себе геологическую структуру, фотографию которой удалось получить в разных масштабах. На детальном снимке мы можем рассмотреть ее в целом и говорить о деталях строения. С уменьшением масштаба сама структура становится деталью изображения, его составным элементом. Ее очертания будут вписываться в контуры общего рисунка, и мы сможем увидеть связь нашего объекта с другими геологическими телами. Последовательно уменьшая масштаб, можно получить генерализованное изображение, на котором наша структура будет элементом какого-либо геологического образования. Анализ разномасштабных снимков одних и тех же регионов показал, что геологические объекты обладают фотогеничными свойствами, которые проявляются по-разному, в зависимости от масштаба, времени и сезона съемки. Очень интересно узнать, как будет меняться изображение объекта с увеличением генерализации и что собственно определяет и подчеркивает его «портрет». Ныне мы имеем возможность увидеть объект с высоты 200, 500, 1000 км и, более. У специалистов сейчас есть значительный опыт в изучении природных объектов с помощью аэрофотоснимков, полученных с высот от 400 м до 30 км. А что если все эти наблюдения проводить одновременно, включая наземные работы? Тогда мы сможем наблюдать изменение фотогеничных свойств объекта с разных уровней - от поверхности до космических высот. При фотографировании Земли с разных высот, помимо чисто информационной, преследуется цель повысить достоверность выявленных природных объектов. На самых мелкомасштабных изображениях глобальной и частично региональной генерализации определяют наиболее крупные и четко выраженные объекты. Средне- и крупномасштабные изображения служат для проверки схемы дешифрирования, сравнения геологических объектов на космических снимках и данных, полученных на поверхности индикаторов. Это позволяет специалистам давать описание вещественного состава пород, выходящих на поверхность, определять характер геологических структур, т. е. получать конкретные доказательства геологической природы изучаемых образований. Фотографические камеры, работающие в космосе, представляют собой съемочные системы, специально приспособленные для фотосъемки из космоса. Масштаб полученных фотографий зависит от фокусного расстояния объектива фотокамеры и высоты съемки. Главные достоинства фотосъемки заключаются в большой информативности, хорошей разрешающей способности, сравнительно высокой чувствительности. К. недостаткам космической фотосъемки можно отнести трудность передачи информации на Землю и проведения съемки только в дневное время.
В настоящее время большой объем космической информации попадает в руки исследователей благодаря автоматическим телевизионным системам. Их совершенствование привело к тому, что качество изображений приближается к космическому фотоснимку аналогичного масштаба. Кроме того, телевизионные изображения обладают рядом преимуществ: они обеспечивают оперативность передачи на Землю информации по радиоканалам; периодичность съемки; запись видеоинформации на магнитную пленку и возможность хранения информации на магнитной пленке. В настоящее время можно получать черно-белые, цветные и многозональные телевизионные изображения Земли. Разрешающая способность телевизионных снимков ниже, чем у фотоснимков. Телевизионная съемка проводится с искусственных спутников, работающих в автоматическом режиме. Как правило, их орбиты имеют большое наклонение к экватору, что позволяло охватить съемкой почти все широты.
Спутники системы «Метеор» запускают на орбиту высотой 550- 1000 км. Его телевизионная система включается сама после подъема Солнца над горизонтом, а экспозиция в связи с изменением освещенности в ходе полета устанавливается автоматически. «Метеор» за один оборот вокруг Земли может снять площадь, составляющую приблизительно 8% поверхности земного шара.
По сравнению с одномасштабным фотоснимком телевизионный снимок имеет большую обзорность и генерализацию.
Масштабы телеснимков бывают от 1: 6 000 000 до 1: 14 000 000, разрешающая способность составляет 0,8 - б км, а снимаемая площадь колеблется от сотен тысяч до миллиона квадратных километров. Снимки хорошего качества могут быть увеличены в 2-3 раза без потери детальности. Существует два вида телевизионной съемки - кадровая и сканерная. При кадровой съемке проводится последовательная экспозиция различных участков поверхности и передачи изображения по радиоканалам космической связи. Объектив камеры во время экспозиции строит изображение на светочувствительном экране, которое можно сфотографировать. При сканерной съемке изображение формируется из отдельных полос (сканов), получающихся в результате детального «просматривания» местности лучом поперек движения носителя (сканирования). Поступательное движение носителя позволяет получать изображение в виде непрерывной ленты. Чем детальнее изображение, тем меньше ширина полосы съемки.
Телевизионные снимки в большинстве своем слабоперспективные. Для увеличения полосы захвата на спутниках системы «Метеор» съемки производятся двумя телекамерами, оптические оси которых отклонены от вертикали на 19°. В связи с этим масштаб снимка изменяется от линии проекции орбиты спутника на 5-15%, что осложняет их использование.
Телевизионные снимки дают большой объем информации, позволяя выделить крупные региональные и глобальные особенности геологического строения Земли.
Космические аппараты во всем своем многообразии - одновременно гордость и забота человечества. Их созданию предшествовала многовековая история развития науки и техники. Космическая эра, позволившая людям со стороны взглянуть на мир, в котором они живут, вознесла нас на новую ступень развития. Ракета в космосе сегодня - это не мечта, а предмет забот высококлассных специалистов, перед которыми стоят задачи по усовершенствованию существующих технологий. О том, какие виды космических аппаратов выделяют и чем они друг от друга отличаются, пойдет речь в статье.
Определение
Космические аппараты - обобщенное название для любых устройств, предназначенных для работы в условиях космоса. Есть несколько вариантов их классификации. В самом простом случае выделяют космические аппараты пилотируемые и автоматические. Первые, в свою очередь, подразделяются на космические корабли и станции. Различные по своим возможностям и назначению, они сходны во многом по строению и используемому оборудованию.
Особенности полета
Любой космический аппарат после старта проходит через три основных стадии: выведение на орбиту, собственно полет и посадка. Первый этап предполагает развитие аппаратом скорости, необходимой для выхода в космическое пространство. Для того чтобы попасть на орбиту, ее значение должно быть 7,9 км/с. Полное преодоление земного притяжения предполагает развитие второй равной 11,2 км/с. Именно так движется ракета в космосе, когда ее целью являются удаленные участки пространства Вселенной.
После освобождения от притяжения следует второй этап. В процессе орбитального полета движение космических аппаратов происходит по инерции, за счет приданного им ускорения. Наконец, стадия посадки предполагает снижение скорости корабля, спутника или станции практически до нуля.
«Начинка»
Каждый космический аппарат оснащается оборудованием под стать тем задачам, которые он призван решить. Однако основное расхождение связано с так называемым целевым оборудованием, необходимым как раз для получения данных и различных научных исследований. В остальном оснащение у космических аппаратов схоже. В него входят следующие системы:
- энергообеспечение - чаще всего снабжают космические аппараты необходимой энергией солнечные или радиоизотопные батареи, химические аккумуляторы, ядерные реакторы;
- связь - осуществляется при использовании радиоволнового сигнала, при существенном удалении от Земли особенно важным становится точное наведение антенны;
- жизнеобеспечение - система характерна для пилотируемых космических аппаратов, благодаря ей становится возможным пребывание людей на борту;
- ориентация - как и любые другие корабли, космические оснащены оборудованием для постоянного определения собственного положения в пространстве;
- движение - двигатели космических аппаратов позволяют вносить изменения в скорость полета, а также в его направление.
Классификация
Один из основных критериев для разделения космических аппаратов на типы - это режим работы, определяющий их возможности. По данному признаку выделяют аппараты:
- размещающиеся на геоцентрической орбите, или искусственные спутники Земли;
- те, целью которых является изучение удаленных участков космоса, - автоматические межпланетные станции;
- используемые для доставки людей или необходимого груза на орбиту нашей планеты, называются они космическими кораблями, могут быть автоматическими или же пилотируемыми;
- созданные для пребывания людей в космосе на протяжении длительного периода, - это ;
- занимающиеся доставкой людей и грузов с орбиты на поверхность планеты, они называются спускаемыми;
- способные исследовать планету, непосредственно располагаясь на ее поверхности, и передвигаться по ней, - это планетоходы.
Остановимся подробнее на некоторых типах.
ИСЗ (искусственные спутники Земли)
Первыми аппаратами, запущенными в космос, были искусственные спутники Земли. Физика и ее законы делают выведение любого подобного устройства на орбиту непростой задачей. Любой аппарат должен преодолеть притяжение планеты и затем не упасть на нее. Для этого спутнику необходимо двигаться с или чуть быстрее. Над нашей планетой выделяют условную нижнюю границу возможного расположения ИСЗ (проходит на высоте 300 км). Более близкое размещение приведет к достаточно быстрому торможению аппарата в условиях атмосферы.
Первоначально только ракеты-носители могли доставлять на орбиту искусственные спутники Земли. Физика, однако, не стоит на месте, и сегодня разрабатываются новые способы. Так, один из часто используемых в последнее время методов - запуск с борта другого спутника. В планах применение и других вариантов.
Орбиты космических аппаратов, вращающихся вокруг Земли, могут пролегать на разной высоте. Естественно, от этого зависит и время, требуемое на один круг. Спутники, период обращения которых равен суткам, размещаются на так называемой Она считается наиболее ценной, поскольку аппараты, находящиеся на ней, для земного наблюдателя кажутся неподвижными, а значит, отсутствует необходимость создания механизмов поворота антенн.
АМС (автоматические межпланетные станции)
Огромное число сведений о различных объектах Солнечной системы ученые получают при помощи космических аппаратов, направляемых за пределы геоцентрической орбиты. Объекты АМС - это и планеты, и астероиды, и кометы, и даже галактики, доступные для наблюдения. Задачи, которые ставятся перед такими аппаратами, требуют огромных знаний и сил от инженеров и исследователей. Миссии АМС представляют собой воплощение технического прогресса и являются одновременно его стимулом.
Пилотируемый космический корабль
Аппараты, созданные для доставки людей к назначенной цели и возвращения их обратно, в технологическом плане ничуть не уступают описанным видам. Именно к этому типу относится «Восток-1», на котором совершил свой полет Юрий Гагарин.
Самая сложная задача для создателей пилотируемого космического корабля - обеспечение безопасности экипажа во время возвращения на Землю. Также значимой частью таких аппаратов является система аварийного спасения, в которой может возникнуть необходимость во время выведения корабля в космос при помощи ракеты-носителя.
Космические аппараты, как и вся космонавтика, непрестанно совершенствуются. В последнее время в СМИ можно было часто видеть сообщения о деятельности зонда «Розетта» и спускаемого аппарата «Филы». Они воплощают все последние достижения в области космического кораблестроения, расчета движения аппарата и так далее. Посадка зонда «Филы» на комету считается событием, сравнимым с полетом Гагарина. Самое интересное, что это не венец возможностей человечества. Нас еще ожидают новые открытия и достижения в плане как освоения космического пространства, так и строения
После успешного опыта посылки советских автоматических межпланетных станций к Луне в 1959 г., в начале 60-х гг. в нашей стране были предприняты первые запуски космических аппаратов к планетам Солнечной системы: в 1961 г. к Венере и в 1962 г. к Марсу. АМС «Венера-1» преодолела расстояние до Венеры за 97 суток, АМС «Марс-1» затратила на перелет Земля - Марс более 230 суток. В дальнейшем сроки перелета к Венере были увеличены до 117-120 суток, так как при этом скорость сближения с планетой была ниже, что облегчало спуск в атмосфере и мягкую посадку на планету.
Перелеты к Марсу, в зависимости от его положения на орбите, занимают от 6 до 10 месяцев.
Первая жесткая посадка на Венеру была осуществлена советской станцией «Венера-3» 1 марта 1966 г., плавный спуск в атмосфере с передачей большого комплекса научных данных впервые совершила АМС «Венера-4» 18 октября 1967 г., а мягкую посадку на поверхность Венеры произвела АМС «Венера-7» 15 декабря 1970 г. В октябре 1975 г. вышел на орбиту первый искусственный спутник Венеры - «Венера-9».
Первая передача изображений поверхности другой планеты (Марса) была осуществлена американским космическим аппаратом «Маринер-4» в июле 1965 г., первым искусственным спутником Марса стал «Мари-нер-9» (США) 14 ноября 1971 г., а спустя две недели искусственными спутниками планеты стали советские АМС «Марс-2» и «Марс-3». Первую мягкую посадку на поверхность Марса произвел спускаемый аппарат АМС «Марс-3» в начале декабря 1971 г.
Подлет к Меркурию с передачей изображений его поверхности с близкого расстояния был осуществлен американским космическим аппаратом «Маринер-10» в марте 1974 г., подлет к Юпитеру - «Пионером-10» (США) в декабре 1974 г. Фотографии Венеры с большого расстояния передал тот же «Маринер-10» в феврале 1974 г., первые панорамные изображения поверхности Венеры с нее самой передали советские АМС «Венера-9» и «Венера-10» в октябре 1975 г., а панорамные изображения поверхности Марса - американские спускаемые аппараты «Викинг-1» и «Викинг-2», начиная с 20 июля 1976 г.
Применение космических аппаратов намного расширило возможность исследования планет. Основными методами научных исследований при этом являются следующие:
1. Прямое фотографирование планеты с более или менее близкого расстояния или небольших участков ее поверхности как с орбиты или пролетной траектории, так и с самой поверхности планеты. Примеры применения этого метода уже приводились выше. Иногда съемка производилась с использованием светофильтров («Марс-3», «Маринер-10»).
Полученные изображения передаются на Землю методом, давно уже используемым в «земном» телевидении: изображение развертывается построчно в цепь сигналов, которые передаются антенной станции на Землю, а затем луч в электронно-лучевой трубке телевизора превращает полученный сигнал снова в изображение. Это изображение, фотографируемое с экрана телевизора, проходит затем длительную обработку, направленную на устранение помех, искажений и дефектов, а также специальных марок с экрана телевизора, служащих для ориентировки изображения, но ненужных при рассматривании вида поверхности планеты.
2. Измерение давления и температуры атмосферы планеты при спуске производится с помощью манометров (работающих по принципу барометра-анероида) и термометров сопротивления, плотность измеряется плотномерами различных типов (ионизационный, камертонный и др.). Подробное описание устройства этих приборов имеется в книге А. Д. Кузьмина и М. Я. Марова «Физика планеты Венера» (М.: «Наука», 4974) и в других книгах и статьях, перечисленных в списке литературы в конце книги.
Кроме прямых измерений, параметры атмосферы планеты и их изменение но высоте могут быть вычислены по скорости снижения аппарата, поскольку аэродинамические характеристики его известны. Опыт показал, что этот метод дает хорошее согласие с предыдущим.
3. Измерение химического состава атмосферы. Производится с помощью газоанализаторов различных типов. Обычно каждый газоанализатор предназначен для определения содержания какого-то определенного газа.
4. Изучение верхних слоев атмосферы по методу радиопросвечивания. Этот метод, состоит в том, что космический аппарат, заходя (для земного наблюдателя) за диск планеты или выходя из-за него, посылает радиоволну определенной длины (используются волны от 8 см до 6 м). Проходя сквозь атмосферу планеты, радиоволна испытывает преломление (рефракцию) и дефокусировку, связанную с тем, что показатель преломления атмосферы убывает с высотой. Поэтому волна, прошедшая сквозь более высокие слои атмосферы, преломляется меньше, чем проходящая через более низкие слои (рис. 18).
В результате весь пучок радиоволн расширяется и интенсивность сигнала ослабевает. В зависимости от показателя преломления меняется и частота сигнала.
Если планета имеет ионосферу, то в ионосферных слоях происходит, наоборот, фокусировка радиолуча и усиление сигнала.
Рис. 18. Метод радиопросвечивания (схема).
Поскольку космический аппарат движется, посланный им радиолуч, пересекая последовательно верхние и нижние слои атмосферы планеты (или в обратном порядке - при выходе из-за планеты), испытывает то усиления, то ослабления, что позволяет построить модель верхних слоев атмосферы, включая ионосферу (в нижних слоях луч ослабевает настолько, что принимать сигнал уже нельзя).
5. Спектральные наблюдения свечения газов атмосферы в ультрафиолетовых лучах позволяют регистрировать самые интенсивные,- так называемые резонансные спектральные линии. К ним относится знаменитая линия водорода (Лайман-альфа) на длине волны 1216 А, кислородный триплет с длиной волны 1302- 1305 А и ряд других. Исследование свечения этих линий Дает сведения о составе и плотности атмосферы до самых больших высот. Напомним, что ультрафиолетовый участок спектра совершенно недоступен для наблюдений с Земли.
6. Измерения содержания заряженных частиц в атмосфере и в околопланетном пространстве с помощью ионных ловушек; измерения скорости и потока заряженных частиц в магнитосфере планеты.
7. Измерения напряженности магнитного поля планеты и изучение структуры ее магнитосферы с помощью чувствительных магнитометров.
8. Различные методы изучения физических свойств и состава грунта планеты; определение содержания радиоактивных элементов с помощью гамма-спектрометров, определение диэлектрической проницаемости грунта с помощью бортового радиолокатора, химический анализ забираемых проб грунта приборами спускаемых аппаратов, измерение плотности грунта плотномером и т. д.
9. Изучение рельефа Марса по интенсивности полос поглощения главного компонента его атмосферы - углекислого газа.
10. Изучение гравитационного поля планеты по движению ее искусственных спутников или пролетающих мимо нее космических аппаратов.
11. Исследование собственного теплового и радиоизлучения планеты с близких расстояний в широком диапазоне длин волн - от микронных до дециметровых.
Этот перечень далеко не полон. Некоторые методы будут описаны или упомянуты ниже, при изложении результатов исследований планет. Однако уже из этого перечня можно видеть, насколько разнообразны методы космических исследований планет, какие богатые возможности они представляют ученым. Неудивительно, что за какие-нибудь 15 лет эти исследования дали нам колоссальный объем информации о природе планет.
Конспект урока на тему " Современные космические методы изучения Земли на службе
Цель : ознакомление с возможностями космических методов изучения Земли и применением результатов исследования в различных сферах деятельности человека.
Задач и:
изучение способ съемки Земли из космоса
ознакомление с историей и современным состоянием космического метода, достижениями отечественной и зарубежной космонавтики, перспективами развития
ознакомление с космическими снимками и овладеть основами визуального дешифрирования космических изображений
Космические исследования и освоение космического пространства – одно из важнейших проявлений современной научно-технической революции. С покорением космоса человечество открыло много нового и неизвестного. Появилась возможность изучать свой дом – Землю на расстоянии. Так было положено начало космическим методам изучения Земли.
Космические методы относятся к дистанционным, т.к. исследуемый объект изучается на дистанции. Дистанционное зондирование – это получение информации об объекте без вступления с ним в прямой контакт.
Полученные таким образом сведения имеют в науке огромную ценность. Оказалось, что дистанционные космические методы имеют существенные преимущества перед наземными методами. Прежде всего, возможность получения изображения Земли в разных масштабах (от глобального до локального), оперативность, возможность повторить исследование неоднократно. Съемка из космоса позволяет охватить единым взглядом обширные пространства и одновременно рассмотреть многообразные детали строения местности, в том числе те, которые не заметны в поверхности Земли.
В своем развитии дистанционное зондирование (исследование) имеет несколько этапов:
В 18 веке с помощью простейшей камеры-обскуры – светонепроницаемой коробки с небольшим отверстием в центре – получали рисованные снимки. Съемку делали с высоты птичьего полета на воздушном шаре. По таким снимкам составляли топографические карты местности. Это была сложная кропотливая работа.
С открытием фотографии в 1839 г. дело пошло значительно быстрее. Впервые стало возможным постоянно и объективнофиксировать изображение. Первоначально фотоаппараты размещались на простых летательных аппаратах (воздушные шары, воздушный змей) и даже птицах. Это была аэрофотосъемка местности.
Следующий шаг к тому, что мы теперь называем дистанционным зондированием, был связан с развитием самолетостроения. Уже в начале 20 века были получены аэрофотоснимки с самолетов. В годы Первой мировой войны выполняли аэрофотосъемку в разведывательных целях.
В 30-ые годы 20 века аэрофотосъемка заменила наземную съемку и стала основным методом составления карт. Так, к середине 50-х годов с помощью аэрофотоснимков были составлены топографические карты всей территории СССР.
Важнейшим толчком в развитии метода дистанционно зондирования послужило покорение космоса человеком. В 60-ые годы 20 века стало возможным получение снимков, сделанных из космоса. Это событие послужило толчком в разработке новых типов съемочных аппаратов. В США и СССР разрабатываются новые оптико-электронные системы – сканеры, выполняющие многозональнуюсъемка земной поверхности.
В 80-ые годы стало возможным широкое применение комических снимков во всех областях изучения земли.
В настоящее время вокруг Земли движется множество спутников-съемщиков разных стран, которые регулярно делают съемку Земли и поставляют на Землю тысячи разных снимков земной поверхности.
Для получения снимков различной степени детальности, спутники запускают на разные высоты. Выделяют три основных высотных яруса их полета :
Спутники самого верхнего яруса , запускаемые на высоту 36 000 км, летают над экватором. Их называют геостационарными, поскольку, вращаются вместе с земным шаром и делая полны оборот вокруг земли ровно за одни сутки. Такие спутник как бы висят в небе над одной и той же точкой земли. Геостационар может выполнить съемку почти целого полушария Земли.
К геостационарным спутникам относятся российский «Электро», спутник Евросоюза «М eteosat », американский « GOES - W » и « GOES - Е», японский « GMS », индийский « Insat ». Они ведут непрерывное глобальное «патрулирование» планеты, каждые полчаса передавая по радиоканалам обзорные снимки.
Спутники среднего яруса , орбита которых проходит над полюсами (поэтому их называют полярными), летают на высоте от 600 до 1500 км. Для съемки всей земной поверхности им требуется от одних суток до 2-3 недель.
К спутникам среднего яруса относятся: российский спутник «Метеор 1» и «Метеор2», американский спутник NOAA , спутники России «Ресурс – П», «Ресурс – О», американский Landsat , французский SPOT .
Спутники самого нижнего яруса , летающие на высоте 200-300 км, ведут детальную съемку отдельных участков земной поверхности, расположенных вдоль трассы полета.
Космические системы наблюдения Земли подразделяются по своему назначения на метеорологические, ресурсные, океанологические, картографические, навигационные, научно-исследовательские.
Для получения снимков со спутников применяют различную съемочную аппаратуру. Сравнивая ее с человеческими глазами, можно сказать, что эти глаза бывают разными – дальнозорким и близорукими, одни видят в темноте, другие сквозь туман и облака, есть даже «дальтоники», которые видят объекты в искаженных цветах.
Различают следующие группы таких аппаратов:
Фотографические аппараты . Получаемые таким аппаратом снимки называют плановые, т.к. по геометрическим свойствам они приближены к плану местности. С помощью космических фотоаппаратов получают снимки только в видимом диапазоне.
Спутниковые сканеры . В отличие от фотоаппаратов работают во многих диапазонах электромагнитного спектра (получают снимки не только в видимом, но и инфракрасном диапазоне)
Радиолокаторы . Если фотоаппараты и сканеры регистрируют отраженное объектами солнечное или собственное излучение, то радиолокаторы сами «освещают» местность радиолучом и принимают отраженный радиосигнал. Радиолуч как бы ощупывает, зондирует поверхность, чутко реагируя на ее шероховатость. Поэтому на радиолокационных снимках видны даже небольшие неровности рельефа.
В результате выполнения космических съемок накоплен многомиллионный фонд снимков. Для того, чтобы эффективно использовать эти изображения, они систематизированы, сгруппированы по возможностям их применения. При всем многообразии снимков у них можно выделить ряд общих характеристик:
Масштаб снимка . Снимки, как и карты, различаются по масштабу. Они бывают:
крупномасштабные – в 1 см – 10 м и даже крупнее.
среднемасштабные
мелкомасштабные (в 1 см – 100 км)
Масштаб снимка зависит от высоты выполнения съемки, фокусного расстояния аппарата, кривизны земной поверхности. От масштаба зависит обзорность снимка: на крупномасштабных снимках изображены лишь отдельные дома, на мелкомасштабных можно увидеть целые континенты.
Обзорность снимков – это охват территории одним снимком.
По обзорности снимки разделяют: глобальные (охватываю всю планету), крупнорегиональные (охватывают крупные регионы мира: Европа, Азия и т.д.), региональные (регион и его часть: Бельгия, Московская область); локальные (изображают небольшой участок местности: небольшой город, микрорайон)
Разрешение . С масштабом снимков связана их способность воспроизводить мелкие объекты и отдельные детали. Крупномасштабные снимки имеют разрешение в десятки сантиметров, т.е. на них могут быть видны даже ветки деревьев. Мелкомасштабные снимки имеют разрешение в несколько км, в результате наблюдатель видит очень большие участки леса или всю лесную зону.
Ретроспективность. Снимок объективно фиксирует состояние местности, отдельных объектов и явлений на момент съемки. Сопоставляя снимки разных лет, можно оценить динамику природных процессов: например, насколько отступил ледник, как растут овраги, изменяются площади лесов.
Стереоскопичность. Два снимка одно и того же участка местности, полученные с разных точек, образуют стереоскопическую (т.е. воссоздающую объемное изображение) пару снимков. Вооружившись стереоскопом, можно наблюдать по этим снимкам не плоское изображение, а объемную и очень выразительную модель местности. Это замечательное свойство снимков важно для изучения рельефа земной поверхности и составления карт.
Спектральный диапазон .Современная съемочная аппаратура способна делать съемку в разных диапазонах электромагнитного излучения.
По этому признаку выделяют три группы снимков:
в видимом диапазоне, который называют световым
в тепловом инфракрасном диапазоне
в радиодиапазоне.
От выбора диапазона зависит то, какие объекты будут изображены на снимках. На снимках в видимом диапазоне изображается все, что видно человеческим глазом; снимки в инфракрасном тепловом диапазоне позволяют определить температуру поверхности, а радиодиапазоне – ее шероховатость (т.е. неровности поверхности). Очень часто одновременно получают не один, а целую серию снимков в разных спектральных диапазонах. Такие снимки называются многозональными .
С космическим методом изучения земли, появлением космической съемки и съемочной аппаратуры, расширились возможности визуальных наблюдений. Человеческий глаз воспринимает только световое излучение, а современные приборы позволяют «видеть» земную поверхность в невидимых лучах: ультрафиолетовых, инфракрасных, в радиодиапазоне. И каждый прибор «видит» то, что не различают другие.
Спутниковая информация представляет огромную ценность не только для науки. Она позволяет решить ряд задач во многих отраслях экономики. Например: в сельском хозяйстве. Так, спутниковая информация позволяет обнаружить районы, пораженные засухой, вредителями, техногенными выбросами. Интересный факт: В 70-е и 80-е гг. Советский Союз закупал в больших объемах зерно за рубежом – в США, Канаде и других странах. Нет сомнения, что зарубежные партнеры при определении цены учитывали виды на урожай и использовали спутниковую информацию для оценки состояния сельхозугодий в СССР.
Активно используется космический мониторинг в борьбе с лесными пожарами. По данным, полученным со спутников, можно определить координаты очагов пожаров, площадь и объем сгоревшего леса, величину экономического ущерба. Например: на фото, сделанном в районе Амурской области летом 2014 года, четко выделяются очаги пожаров с дымовыми шлейфами.
По космоснимкам можно осуществлять экологический контроль атмосферного воздуха, отслеживая загрязнение снежного покрова и дымовые выбросы промышленных предприятий. На рисунке представлена карта экологического состояния воздушного бассейна над Москвой. Как видно, наиболее загрязненными районами являются районы железнодорожных вокзалов и территория вокруг завода имени Лихачева.
Данные дистанционного зондирования Земли, благодаря периодичности спутниковой съемки, позволяют оперативно оценить обстановку в районах возникновения стихийных бедствий (наводнений, циклонов, засух, землетрясений, пожаров) и служат основой для своевременного прогноза природных катастроф.
Пример мы видим на слайде: представлены два снимка одно и того же участка побережье Индонезии в декабре 2004 года с интервалом в несколько часов. Хорошо видны последствия цунами, охватившего побережье Индийского океана.
На следующих фотографиях, сделанных с интервалом 10-15 лет, можно наблюдать возникновение проблемы, связанной с пересыханием озера Чад. Подобное явление переживает и Аральское море.
Данные космического мониторинга можно использовать для принятия мер по предупреждению возникновения чрезвычайных ситуаций. Так, регулярный космический мониторинг ледовой обстановки на реках Сибири в весенний период позволяет своевременно выявлять места возникновения ледовых заторов с целью их ликвидации (например, взрывным методом) и тем самым не допустить возникновения сильного наводнения, приводящего к большому социальному и материальному ущербу.
Одной из наиболее важных задач, которую можно решить с помощью данных дистанционного зондирования Земли, является контроль развития инфраструктуры территории для целей регионального планирования. Как правило, при решении задач регионального планирования используются топографические карты. Но, как показывает опыт, данные карты перестают отражать истинное положение дел уже через несколько лет после составления. Появляются новые дороги, населенные пункты и др., не намеченные на карте. Все это в значительной степени затрудняет процесс регионального планирования. В этой связи применение систем дистанционного зондирования Землиоткрывает большие возможности для организации эффективного регионального планирования, особенно в условиях бурного развития страны или отдельных ее территорий.
Рисунок иллюстрирует вышесказанное. Как видно, сопоставление топографической карты района Туапсе, составленной в 1994 г., с космическим снимком того же района 2009 г. наглядно показывает преимущества использования систем дистанционного зондирования Земли. По снимку можно провести уточнение береговой линии, выявить вновь появившиеся объекты, не отмеченные на топографической карте.
Мы убедились, что в настоящее время космические снимки необходимы не только географам, но и метеорологам, геологам, картографам. С помощью космических снимков изучают строение земной коры, ищут полезные ископаемые, обнаруживают лесные пожары, исследуют богатые рыбой районы в океане. Таким образом, космический метод изучения Земли популярен, актуален, представляет неограниченные возможности.
Активно использовать данные дистанционного зондирования Земли имеют возможность не все отрасли и предприятия страны. Некоторые субъекты Федерации ввели в практику применение космоснимков для решения региональных задач. На территории Ярославской области крупными организациями, которые ввели в практику использование космоснимков являются «Геомониторинг» для исследования подземных вод, компании «Кадастр» и «Недра». Мы обнаружили, что существует проект программы использования данных дистанционного зондирования Земли для планирования территории Ярославля, разработке его генерального плана. С помощью снимка, сделанного из космоса, можно оперативно определить наиболее загруженные дороги с тем, чтобы с большей эффективностью спланировать строительство новых транспортных магистралей. Данные дистанционного зондирования пригодятся в планировании городской застройки и пригородных территорий, в решении экологических вопросов, для планирования системы озеленения и санитарных зон предприятий. Будем надеяться, что современные достижения в области космического мониторинга будут основой эффективного управления нашего региона.
Уже сейчас у каждого из нас есть персональный доступ к результатам космического зондирования Земли для использования в образовательных целях. Еще несколько лет назад это было бы фантастикой. Но ведь запуск первого искусственного спутника Земли и первый полет человека в космос даже за несколько лет до их осуществления тоже казался необыкновенной фантастикой.
Знание обладает великолепной особенностью – постоянно напоминает, что оно лишь трамплин в будущее и слишком много нам еще не известно. Выход человека в космос позволил решить много новых задач и сделать новые открытия. Но процесс познания таков, что, решая одни задачи, мы сталкивается с новыми нерешенными проблемами, ведь сам процесс познания бесконечен.
