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.

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.

Исследование природных ресурсов планеты с помощью космических методов

Тема: Исследование природных ресурсов планеты с помощью космических методов.

Сделала: ученица 10-а класса

Муниципальной общеобразовательной

Молодцова Ольга

учебный год 2003-2004

План реферата

1. Введение…………………………………………………………..…. 3

2. Землеведение…………………………………………………….….. 4

3. Способы изучения Земли………………………………………….. 6

4. Область изучения…………………………………………………... 9

5. Список литературы……………………………………………….. 10

Введение.

Стремительное развитие космонавтики, успехи в изучение околоземного и межпланетного космического пространства в огромной степени расширило наши представления о Солнце и Луне, о Марсе, Венере и других планетах. Вместе с тем выявилось весьма высокая эффективность использования околоземного космоса и космических технологий в интересах многих наук о Земле и для различных отраслей хозяйства. География, гидрология, геохимия, геология, океанология, геодезия, гидрология, землеведение – вот некоторые из наук, ныне широко использующих космические методы и средства исследования. Сельское и лесное хозяйство, рыболовство, мелиорация, разведка сырьевых ресурсов, контроль и оценка загрязнения морей, рек, водоемов, воздуха, почвы, охрана окружающей среды, связь, навигация – таков далеко не полный перечень направлений, использующих космическую технику. Использование искусственных спутников Земли для связи и телевидения, оперативного и долгосрочного прогнозирования погоды и гидрометеорологической обстановки, для навигации на морских путях и авиационных трассах, для высокоточной геодезии, изучения природных ресурсов Земли и контроля среды обитания становится все более привычным. В ближайшей и в более отдаленной перспективе разностороннее использование космоса и космической техники в различных областях хозяйства значительно возрастет.

С позиции географии большой интерес представляет космическое землеведение. Так называют совокупность исследований Земли из космоса с помощью аэрокосмических методов и визуальных наблюдений. Главные цели космического землеведения – познание закономерностей космической оболочки, изучение природных ресурсов для их оптимального использования, охрана окружающей среды, обеспечение прогнозов погоды и других природных явлений. Космическое землеведение стало развиваться с начала 60-х годов, после запуска первых советских и американских искусственных спутников Земли, а затем и космических кораблей.

как бы продолжением и новым качественным развитием традиционной аэрофотосъемки. Одновременно начались и визуальные наблюдения экипажей космических кораблей, также сопровождавшиеся космической съемкой. При этом вслед за фотографией и телевизионной съемкой стали применяться более сложные ее виды – радиолокационные, инфракрасная, радиотепловая и другое особое значение для космического землеведения имеют некоторые отличительные свойства космической съемки.

Первое из них - огромная обзорность. Съемка со спутника и космических кораблей обычно осуществляется с высоты от 250 до 500 км.

Другие важные отличительные свойства космической съемки - большая скорость получения и передачи информации, возможность многократного повторения съемки одних и тех же территорий, что позволяет наблюдать природные процессы в их динамике, лучше анализировать взаимосвязи между компонентами природной среды и тем самым увеличивает возможности создания общегеографических и тематических карт.

В последствии развития космического землеведения в нем было выделено несколько подотраслей или направлений.

Во-первых, это геолого-геоморфологические исследования, которые служат основой изучения строения земной коры. В СССР их так же использовали приинженерно-геологических исследованиях (например, при проведении трасс нефтепроводов, Байкало-Амурской железнодорожной магистрали), при геологоразведочных и геолого-съемочных работах (например, для выявления разломов земной коры, тектонических структур, перспективных на нефть и газ).

Способы изучения Земли.

Проблема изучения природных ресурсов, оценка их запасов, объема и темпа расходования, возможности их сохранения и восстановления приобретают в наше время все большую актуальность. На первый план выдвинулись также задачи охраны окружающей среды, борьба с загрязнением почвы, воздуха, водоемов. Возросла необходимость постоянного контроля состояния и рационального использования лесных массивов, источников пресной воды, животного мира.

Развитие растениеводства, животноводства, лесного хозяйства, рыболовства, других областей хозяйственной деятельности человека потребовало применения новых более современных принципов контроля окружающей среды и значительно более оперативного получения его результатов.

Исчерпывание сырьевых ресурсов, находящихся в сравнительно близких и освоенных человеком местах, привело к необходимости изыскания их в отдаленных, труднодоступных, глубинных районах. Возникла задача охвата разносторонней разведкой больших площадей.

Главными достоинствами космических средств, при использовании их для изучения природных ресурсов и контроля окружающей среды являются: оперативность, быстрота получения информации, возможно доставки её потребителю непосредственно в ходе приёма с КА, разнообразие форм наглядность результатов, экономичность.

Отметим, что внедрение космической техники отнюдь не исключает применения в ИПР и КОС самолетных и наземных средств. Наоборот, космические средства могут быть более, эффективно используют именно в сочетании с ними.

Помимо перечисления целей, выявилась эффективность использования космической техники для решения некоторых задач градостроительства, строительства и эксплуатации транспортных магистралей и другое.

объектов на расстоянии, с помощью чувствительных элементов и устройств, не находящихся в прямом контакте (непосредственно близость) с предметом измерений (исследований).

В основе этого метода лежит то важное обстоятельство, что все естественные и искусственные земные образования испускают электромагнитные волны, содержащие как собственное излучение элементов суши, океана, атмосферы, так и отраженное от них солнечное излучение. Установлено, что величина и характер идущих от них электромагнитных колебаний существенно зависят от вида, строения и состояния (от геометрических, физических и иных характеристик) излучаемого объекта.

Эти-то различия в электромагнитном излучении земных различных образований и позволяют применять метод дистанционного зондирования для изучения Земли из космоса.

Чтобы достигнуть чувствительных элементов приемных устройств, установленных на космическом аппарате электромагнитные колебания, идущие с Земли, должны пронизывать всю толщу земной атмосферы. Однако атмосфера пропускает далеко не всю электромагнитную энергию, излучаемую с Земли. Немалая часть её, отражаясь, возвращается на Землю, а некоторое количество рассеивается и поглощается. При этом атмосфера не безразлична к электромагнитным излучениям различной длины волны. Одни колебания она пропускает сравнительно свободно, образуя для них «окна прозрачности», другие – почти полностью задерживает, отражая, рассеивая и поглощая их.

Поглощение и рассеяние электромагнитных волн атмосферой обусловлены ее газовым составом и аэрозольными частицами, и в зависимости от состояния атмосферы она действует на изучение с Земли неодинаково. Поэтому на приемное устройство космического аппарата может только та часть электромагнитного излучения от исследуемых объектов, которая способна пройти сквозь атмосферу. Если влияние ее велико, то возникают существенные изменения в спектральном, угловом и пространственном, распределении излучения.

ее оценке в зависимости от различных факторов.

Значение степени и характера влияния атмосферы, на происхождение сквозь нее электромагнитного излучения с Земли для излучения природных ресурсов из космоса весьма существенно. Особенно важно знать влияние атмосферы на прохождение электромагнитных волн при изучении слабо излучающих и плохо отражающих земных образований, когда атмосфера может почти полностью подавить или исказить сигналы, характеризующие исследуемые объекты.

Для изучения природных ресурсов из космоса подбирают такое время и условия, когда поглощающее и искажающие влияние атмосферы минимально. При работе в видимом диапазоне выбирается светлое время суток, при возвышении угла Солнца над горизонтом 15 - 35°, при невысокой влажности, небольшой облачности, возможности большой прозрачности и малой аэрозольности атмосферы.

Области изучения.

В области геологии: выявление месторождений полезных ископаемых, определение перспективных районов добычи нефти, газа, руды, угля и другие; картографическая и геологическая подготовка крупного строительства; оценка сейсмической и вулканической деятельности, получение данных для их прогнозирования; обследование районов шахт и открытых разработок, оценка ущерба растительности в этих районах.

прогнозирование стока вод после весенних паводков, определение угрожаемых районов и эффективности мер, принимаемых для уменьшения ущерба от наводнений; контроль за изменением водного режима рек в частности в целях оптимального использования мощности гидроэлектростанций.

В области океанологии, океанографии, рыболовства; прогнозирование явлений, влияющих на эффективность судоходства и представляющих опасность для прибрежных районов; оценка морских путей; изменение величены и характера волнений водной поверхности больших акваторий; наблюдение за ледовой обстановкой в высокоширотных районах, контроль за образованием и движением айсбергов; определение районов богатых планктоном, обещающих эффективные уловы, выявление косяков рыбы и скопление промысловых животных.

В области биосферы и охраны окружающей среды; оценка загрязнённости воды в конкретных водоёмах и воздуха в различных районах; контроль сброса сточных вод и насосов в районах плотной заселённости (крупных городов); контроль за местонахождением и миграцией диких животных.

В области сельского и лесного хозяйства, землеведение и мелиорации: оперативная оценка стадий развития, степени зрелости и урожайности культур; выявление поражения отдельных участков полей и лесов, установление эффективности мер, направленных на сохранение растений, оценка состояния участков леса и запасов древесины, таксация лесов; планирование вырубки и посадок; обнаружение лесных пожаров, контроль их развития и эффективности, противопожарных мер; выявление заболоченности определённых районных ирригационные оценки, планирование дренажных и мелиорационных работ; землепользование в конкретных регионах, контроль орошаемых земель, оценка пастбищ.

1 «Мировое освоение космических пространств». Издательство-Наука. Москва 1982 г.

Венера довольно интенсивно исследовалась с помощью космических аппаратов. Первым космическим аппаратом, предназначавшимся для изучения Венеры, был советский «Венера-1». После попытки достижения Венеры этим аппаратом, запущенным 12 февраля 1961 года, к планете направлялись советские аппараты серии «Венера», «Вега», американские «Маринер», «Пионер-Венера-1», «Пионер-Венера-2», «Магеллан», европейский «Венера-экспресс», японский «Акацуки». В 1975 году космические аппараты «Венера-9» и «Венера-10» передали на Землю первые фотографии поверхности Венеры; в 1982 году «Венера-13» и «Венера-14» передали с поверхности Венеры цветные изображения. Впрочем, условия на поверхности Венеры таковы, что ни один из космических аппаратов не проработал на планете более двух часов. Роскосмос планирует отправку станции «Венера-Д» со спутником планеты и более живучим зондом, который должен проработать на поверхности планеты не менее месяца, а также комплекса «Венера-Глоб» из орбитального спутника и нескольких спускаемых модулей (подробный список успешных запусков космических аппаратов, передавших сведения о Венере см. в приложении 2).

Особенности номенклатуры

Поскольку облака скрывают поверхность Венеры от визуальных наблюдений, её можно изучать только радиолокационными методами. Первые, грубые, карты Венеры были составлены в 1960-е гг. на основе радиолокации, проводимой с Земли. Светлые в радиодиапазоне детали величиной в сотни и тысячи километров получили условные обозначения, причём существовало несколько систем таких обозначений, которые не имели всеобщего хождения, а использовались локально группами учёных. Одни применяли буквы греческого алфавита, другие -- латинские буквы и цифры, третьи -- римские цифры, четвёртые -- именования в честь знаменитых учёных, работавших в сфере электро- и радио- техники (Гаусс, Герц, Попов). Эти обозначения (за отдельными исключениями) ныне вышли из научного употребления, хотя ещё встречаются в современной литературе по астрономии. Исключением являются область Альфа, область Бета и горы Максвелла, которые были удачно сопоставлены и отождествлены с уточнёнными данными, полученными с помощью космической радиолокации.

Первую карту части венерианской поверхности по данным радиолокации составила Геологическая служба США в 1980 году. Для картографирования была использована информация, собранная радиозондом «Пионер-Венера-1» («Пионер-12»), который работал на орбите Венеры с 1978 по 1992 год.

Карты северного полушария планеты (треть поверхности) составлены в 1989 году в масштабе 1:5000000 совместно Американской геологической службой и российским Институтом геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского. Использовались данные советских радиозондов «Венера-15» и «Венера-16». Полная (кроме южных полярных областей) и более детальная карта поверхности Венеры составлена в 1997 году в масштабах 1:10000000 и 1:50000000 Американской геологической службой. При этом были использованы данные радиозонда «Магеллан».

Правила именования деталей рельефа Венеры были утверждены на XIX Генеральной ассамблее Международного астрономического союза в 1985 году, после обобщения результатов радиолокационных исследований Венеры автоматическими межпланетными станциями. Было решено использовать в номенклатуре только женские имена (кроме трёх приведённых ранее исторических исключений):

Крупные кратеры Венеры получают название в честь фамилий знаменитых женщин, малые кратеры -- женские имена. Примеры крупных: Ахматова, Барсова, Барто, Волкова, Голубкина, Данилова, Дашкова, Ермолова, Ефимова, Клёнова, Мухина, Обухова, Орлова, Осипенко,Потанина, Руднева, Русланова, Федорец, Яблочкина. Примеры мелких: Аня, Катя, Оля, Света, Таня и т. д.

Некратерные формы рельефа Венеры получают имена в честь мифических, сказочных и легендарных женщин: возвышенностям даются имена богинь разных народов, понижениям рельефа -- прочих персонажей из различных мифологий:

земли и плато получают название в честь богинь любви и красоты; тессеры -- по имени богинь судьбы, счастья и удачи; горы, купола, области называются именами различных богинь, великанш, титанид; холмы -- именами морских богинь; уступы -- именами богинь домашнего очага, венцы -- именами богинь плодородия и земледелия; гряды -- именами богинь неба и женских персонажей, увязанных в мифах с небом и светом.

Борозды и линии получают названия воинственных женщин, а каньоны -- имена мифологических персонажей, связанных с Луною, охотой и лесом. Журнал «НЛО»: 02.2000, 05.2000, 07.2000, 09.2000.

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.