вернёмся в начало?

Человек впервые оценил роль спутников для контроля за состоянием сельскохозяйственных угодий, лесов и исследования других природных ресурсов Земли лишь спустя несколько лет после наступления космической эры. Начало было положено в 1960 г., когда с помощью метеорологических спутников «Тирос» были получены подобные карте очертания земного шара, лежащего под облаками.

Эти первые черно-белые телевизионные изображения давали весьма слабое представление о деятельности человека, и тем не менее на одном из них были отмечены слабые пятна на снегу в северной Канаде, которые оказались следами расчистки лесов.

Только с приходом человека в космос были полностью выяснены возможности наблюдения относительно мелких деталей на поверхности Земли с высот более 160 км. В мае 1963 г. астронавт Г. Купер во время полета на корабле «Меркурий» поразил наземный персонал сообщением о том, что он видит дороги, строения и даже дым из труб. Наземная служба управления приняла это за галлюцинации!

Последующие полеты в космос подтвердили наблюдения Купера. На цветных снимках, сделанных астронавтами корабля «Джемини», пролетающими над территорией космического центра на мысе Канаверал, были зафиксированы изменения в городской застройке и прогресс в сооружении новых дорог в течение шестимесячного интервала между полетами. На «Джемини-4» были получены изображения дренажной системы в западном Техасе, а на корабле «Аполлон-6» были доставлены из космоса четкие изображения полей пшеницы.

На некоторых космических снимках можно было выделить места выпадения дождя накануне вечером в засушливом районе Техаса, причем не по виду мокрой земли, а по различным цветовым оттенкам, связанным с «развитием локонов» растительности.

Фотоснимки, полученные с корабля «Аполлон-9», позволили обнаружить скопления снега в горном районе штата Аризона, а также значительные повреждения на площади 427 км² в бассейне р. Уошито (шт. Луизиана), вызванные наводнением.

Вскоре были разработаны новые технические средства, позволявшие повысить качество наблюдений, были использованы достижения в области военных исследований по расширению возможностей обзора с высоколетящих разведывательных самолетов с помощью различной кинофотоаппаратуры и электронных приборов.

Вверху. Подготовка спутника «Лэндсат-3» в фирме «Дженерал электрик». Это один из представителей растущего семейства спутников, используемых для наблюдения за состоянием сельскохозяйственных культур и поиска месторождений минералов, нефти и пресной воды.

Информация извлекалась из многоспектральных изображений в видимом и инфракрасном (ИК) областях спектра, что давало возможность различать незначительные изменения ИК-излучения на Земле, не воспринимаемые глазом человека, но содержащие важную информацию. Аппаратура наблюдения была двух основных типов: камеры, заряженные пленкой, чувствительной только к ИК-излучению, и радиометры, представляющие собой специальные радиоприемники, настроенные только на длины волн ИК-диапазона.

Например, на первых ИК-фотографиях, полученных с исследовательских самолетов, можно было различать поля с нормально развивающимися и пораженными болезнями сельскохозяйственными культурами. Участки здоровых культур имели на фотоснимках ярко-розовый или красно-белый цвет, а пораженных культур - сине-черный цвет. При этом начало заболевания зачастую удавалось обнаружить раньше, чем фермеру на земле.

Многоспектральные датчики, широко используемые в настоящее время на спутниках наблюдения, основаны на едином принципе: объекты и явления на земной поверхности в общем случае можно распознать по энергии излучения, которое они испускают или отражают. Спектральная характеристика растительности иная, чем горной породы, почвы или воды.

Эти различия регистрируются чувствительными приборами на борту спутника и могут быть преобразованы в зоны различной (условной) окраски в пределах, исследуемой области. Такой вид дистанционного зондирования поверхности Земли оказался столь эффективным, что позволил опознавать области выращивания отдельных сельскохозяйственных культур и изменения их спектральных характеристик, что дает такую информацию, как плодородие почвы, содержание влаги в почве, а также пораженность растений болезнями или насекомыми.

Первыми спутниками, предназначенными для максимального использования этих возможностей, были аппараты типа «Лэндсат», разработанные для НАСА фирмой «Дженерал электрик». Первые образцы спутников «Лэндсат» были запущены на приполярные круговые орбиты высотой около 920 км, причем наблюдаемые ими области суши и океана смещались на запад из-за вращения Земли. Параметры орбит таковы, что один спутник может выдавать информацию почти о любом районе мира каждые 18 сут.

Изображения представляются в цифровой форме и передаются на параболические антенны наземных приемных станций, где они записываются на магнитофонную ленту для последующего воспроизведения в виде цветных и черно-белых фотоотпечатков.

Вверху. Этот безоблачный вид Италии, Сицилии, Корсики и Сардинии составлен из сорока шести инфракрасных изображений, полученных со спутника «Лэндсат-1» за четыре сезона в период 1972-1973 гг. Красный цвет соответствует районам со здоровой растительностью.

Спутник «Лэндсат-В», четвертый из серии, осуществлял наблюдение Земли с высоты более 640 км с помощью усовершенствованных чувствительных приборов. Кроме многоспектрального развертывающего устройства типа используемых на первых трех спутниках «Лэндсат» на этом спутнике был установлен датчик так называемого тематического обзора, способный различать объекты площадью до 800 м² (ранее возможности ограничивались площадью около 5000 м²), что позволило потребителям получать значительно более детальную и своевременную информацию.

Проект необычен тем, что является первой разработкой, предназначенной для применения на многоцелевом модульном космическом аппарате, который предполагается возвратить с помощью космического корабля «Спейс Шаттл» для возможного восстановления и повторного использования. Этот космический аппарат состоит из модуля общего назначения для выработки электроэнергии, создания тяги, управления ориентацией, обеспечения связи и обработки информации и конструкции для установки самых разнообразных полезных грузов научного и прикладного назначения.

Картография

Одной из первых областей применения изображений земной поверхности, полученных в соответствии с программой исследования природных ресурсов, была картография. В доспутниковую эпоху карты многих областей, даже в развитых районах мира, были составлены неточно.

Изображения, полученные с помощью спутника «Лэндсат», позволили скорректировать и обновить некоторые существующие карты США масштабом 1:250 000 и менее. Свежая информация позволила выявить развитие городов со времени выпуска последних карт, изменения дорог и железнодброжных путей. В СССР изображения, полученные со станции «Салют», оказались незаменимыми для выверки железнодорожной трассы БАМ.

Внизу. Вид лесных пожаров в северной Австралии с борта космического корабля «Аполлон-7» с высоты 240 км. В настоящее время спутники регулярно наблюдают за поверхностью Земли и предупреждают о засухах и лесных пожарах.

Изображения со спутников также были использованы для построения подробных карт, необходимых при строительстве дорог, прокладке железнодорожных путей и ирригационных каналов. Появилась возможность составлять карты подводного рельефа, например коралловых рифов, представляющих потенциальную опасность для мореплавания.

До появления спутников не существовало карт более чем половины территории Азии, Африки и Латинской Америки в масштабе крупнее 1:1 000 000. С помощью спутника «Лэндсат» стало возможным быстро и дешево составить отсутствующие карты и с приемлемой точностью исправить существующие, а также выявить районы, для картографирования которых требовалось получить изображения с более высоким разрешением с самолетов.

Основным фактором снижения стоимости картографирования является высокая скорость космической съемки по сравнению с другими методами. Например, план создания новой геологической карты Египта в масштабе 1:1 000 000 за десять лет при затратах 2,4 млн. долл. методом черно-белой аэрофотосъемки был изменен, когда стало ясно, что с помощью спутника «Лэндсат» удастся получить втрое более детальную географическую картину и вдвое сократить сроки при значительно меньшей стоимости.

Сельское хозяйство

В середине 70-х годов НАСА, министерство сельского хозяйства и Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы НОАА (англ. NOAA - National Oceanic and Atmospheric Administration) приняли решение провести совместный эксперимент по демонстрации возможностей спутниковой системы в прогнозировании урожая важнейшей сельскохозяйственной культуры - пшеницы.

Вверху. Макет спутника «Лэндсат-D», разработанного для НАСА фирмой «Фэрчайлд» и отличающегося новым типом модульной платформы. Один из основных приборов - датчик тематического обзора, созданный фирмой «Хьюз эйркрафт».

В задачи исследования входил расчет полной площади посевов пшеницы на основе информации, полученной со спутников «Лэндсат», и сопоставление результатов с возможной урожайностью, прогнозируемой на основе прошлой метеоинформации в периоды между жатвами. Спутниковые наблюдения, оказавшиеся на редкость точными, в дальнейшем были распространены на другие сельскохозяйственные культуры.

Используя полученные со спутника «Лэндсат» изображения долины Импириал-Валли в Калифорнии, исследователи, затратив 40 человеко-часов, идентифицировали более 25 отдельных культур на 8865 полях. Эти наблюдения охватывали территорию общей площадью 185 150 га, а среди различаемых культур были злаки, кукуруза, соевые бобы, сорго, овес, травы (четыре вида), салат, горчица, томаты, морковь и лук. Ученые различали влажные засеянные поля и голую землю на площадях до 4,5 га. Предполагается, что чувствительные приборы, установленные на перспективных спутниках «Лэндсат», будут иметь разрешающую способность, обеспечивающую получение подобных характеристик на площадях до 0,45 га. Такие возможности позволят осуществить глобальное наблюдение производства продуктов питания, которое поможет человечеству избежать опасности недостатка продовольствия. По одной из оценок, повышение на 25% точности предсказания урожаев пшеницы в зарубежных странах обеспечит США прибыли в размере 200 млн. долл. и устранит многие трудности, связанные с недопроизводством или перепроизводством.

Датчики На диаграмме показано, каким образом чувствительные приборы на борту спутника «Лэндсат-D» получают информацию. Свет и тепло, отраженные или испускаемые сушей или океаном, принимаются на избранных длинах волн. Каждый диапазон частот от видимого до дальней области инфракрасного света содержит определенную информацию о живой и неживой природе. Датчики «настраиваются» на длины волн, соответствующие растительности, почве, воде и другим объектам поверхности, и благодаря этому способны регистрировать (посредством повторных наблюдений) любые изменения их свойств. На борту спутника «Лэндсат-D» имеется также многоспектральное развертывающее устройство с разрешающей способностью 80 м и четырьмя каналами, аналогичное датчикам, установленным на спутниках «Лэндсат-1 и -2». На диаграмме сравниваются рабочие диапазоны длин волн спутников «Лэндсат-1, 2- и -3» и спутника «Лэндсат-D».

Исследователи также сосредоточили внимание на возможностях достижения лучшего использования ресурсов сельскохозяйственных культур и леса. Благодаря регулярным наблюдениям со спутников можно установить наилучшие сроки посева и жатвы, обеспечивающие максимальный урожай, путем контроля состояния почвы и содержания влаги; в период роста можно провести инвентаризацию культур и заблаговременно оповестить о засухе, наводнениях и эрозии.

Подобного рода сельскохозяйственное инспектирование позволило бы провести инвентаризацию на территории тропиков, потенциально пригодной для земледелия после расчистки, и получить информацию о плодородных и засушливых районах, которые можно сделать плодородными посредством ирригации.

Датчик тематического обзора 1 Модуль электронного оборудования. 2 Умножитель. 3 Элементы системы терморегулирования. 4 Радиатор. 5 Холодная фокальная плоскость. 6 Защитная оптика. 7 Основная фокальная плоскость. 8 Основное зеркало. 9 Телескоп. 10 Вторичное зеркало. 11 Сканирующее зеркало. 12 Блок электропитания.

Полоса 1 (0,45- 0,52 мкм) - оценка качества воды и картирование лесных хозяйств; полоса 2 (0,52-0,60 мкм) - полоса отражения зеленого цвета; полоса 3 (0,63- 0,69 мкм) - полоса поглощения хлорофилла (анализ спектральных портретов); полоса 4 (0,76- 0,90 мкм) - измерение биомассы и выявление пораженных болезнями растений (верхнее ограничение 0,9 мкм позволяет избежать полосу частот поглощения воды); полоса 5 (1,55-1,75 мкм) - изучение влажности почвы и геологические наблюдения (позволяет отличать снег от облаков); полоса 6 (10,4 - 12,5 мкм) - измерение содержания влаги и геохимическая классификация; полоса 7 (2,08-2,35 мкм) - изучение застройки городов.

Потенциальные возможности спутников «Лэндсат» столь велики, что, используя их совместно с быстродействующими вычислительными машинами на Земле, можно за считанные часы провести инвентаризацию сельскохозяйственных культур целого региона. В конечном итоге с помощью вычислительных машин строится карта местности, указывающая размещение и площадь, занимаемую каждой культурой, с вероятностью более 90%.

Естественные угодья

Вверху. Техники проверяют апертуру многоспектрального развертывающего устройства, прикрывая кожухом отражательное зеркало и оптику телескопа, которые обеспечивают получение изображений в отраженных лучах инфракрасного и видимого диапазонов.

Примером использования дистанционного наблюдения для решения наиболее трудных проблем человечества является случай с африканской прерией к югу от Сахары.

Несколько стран, расположенных на этой территории, обратились с просьбой осуществить ее обзор со спутника «Лэндсат» с целью облегчить последствия затянувшейся засухи. Изображения, полученные со спутника, позволили не только выявить районы, пригодные для земледелия, но и преподали ценный урок. С помощью спутника была обнаружена область неправильной формы с растительностью, которая выделялась на фоне окружающей выжженной земли. Оказалось, что это ранчо, где правильная организация хозяйства предотвратила оголение земли скотом.

Как и на любых полузасушливых землях, в данном случае периодичность выпаса и другие формы содержания домашнего скота могут предотвратить вторжение пустыни и бесплодие.

Другими словами, система наблюдения за естественными угодьями из космоса позволила установить наилучшие сроки выгона крупного рогатого скота на пастбища. Были подготовлены планы предотвращения чрезмерного выпаса и освоения новых районов для пастбищ; стало возможным оценить дополнительные ассигнования, требуемые для улучшения территорий угодий путем дренажа, ирригации, посевов и применения удобрений.

Лесное хозяйство

Как и в предыдущем случае, использование информации со спутников «Лэндсат» выявило ее неоспоримые преимущества при оценке объема строевого леса на обширных территориях любой страны. Стало возможным управлять процессом вырубки леса и при необходимости давать рекомендации по изменению контуров района вырубки с точки зрения наилучшей сохранности леса.

Функциональное построение спутника «Лэндсат-D» 1 Геосинхронный спутник связи. 2 «Лэндсат-D» («Лэндсат-4»), высота орбиты 705 км. 3 Наземная станция (за пределами США). 4 Наземная станция Центра им. Годдарда. 5 Наземная станция спутника «ТДРС». 6 Спутник «ТДРС». 7 Спутник «Навстар». На спутнике «Лэндсат-D» установлена широкополосная система связи, способная функционировать через спутниковую систему «ТДРС» и непосредственно с наземными станциями США и за ее пределами. Кроме многоспектрального развертывающего устройства на спутнике действует датчик тематического обзора, относящийся к третьему поколению точных многоспектральных приборов для изучения природных ресурсов Земли с борта низкоорбитальных спутников. Для спутника «Лэндсат-D» разработан семиканальный радиометр, обеспечивающий получение изображений поверхности Земли с разрешением 30 м.

В развивающихся странах повышается осознание необходимости разумного использования лесных ресурсов не только с целью удовлетворения потребностей в строевой древесине, но и для сохранения экологического равновесия и предотвращения эрозии, засорения плотин илом и загрязнения прибрежных вод. В Бразилии изображения со спутника «Лэндсат» использовались при реализации программы контролируемой вырубки лесов в бассейне реки Амазонки для различных целей, включая расчистку пастбищ для крупного рогатого скота. Земледельцам предоставляются правительственные дотации на валку леса на площади, составляющей до трети их участков, и систематическое использование изображений со спутника «Лэндсат» оказалось единственным экономичным способом контроля выполнения условий соглашения с правительством, а также контроля и регулирования объема работ.

Благодаря изображениям со спутников стало также возможным быстро оценивать границы лесных пожаров, особенно «коронообразных», характерных для западных областей Северной Америки. При обзоре территории Канады спутником «Лэндсат» было зарегистрировано 42 очага огня в северной части провинции Саскачеван, что позволило оценить масштабы опасности.

Океанография

Кроме фотографирования океанов различные спутниковые системы позволяют получать информацию непосредственно с моря. Автоматические океанские буи могут измерять местные температуры воздуха и поверхности воды, температуру, давление и содержание соли на глубине, высоту волн и скорость поверхностных течений. Эта информация, переданная по команде на спутник, записывается и ретранслируется на одну из наземных станций для оперативного распространения.

В настоящее время можно получать информацию о состоянии моря непосредственно со спутника методами микроволновой радиолокации (обратное рассеяние). Возможности исследования океана таким методом были продемонстрированы на примере «Сисат-1», запущенного НАСА в июне 1978 г. с базы ВВС Ванденберг. Несмотря на то что спутник функционировал всего 4 мес, он охватывал наблюдением более 95% акватории мирового океана каждые 36 ч и, таким образом, за одни сутки производил больше измерений, чем раньше получали за десятки суток научных наблюдений.

Вверху. Спутник «Сисат-1» в обтекателе полезного груза ракеты-носителя «Атлас-Аджена», который вывел его на приполярную орбиту в июне 1978 г. Показана стыковка спутника с второй ступенью носителя.

С орбиты высотой 805 км спутник «Сисат» направлял свои пять приборов на океаны и, совершая ежесуточно 14 оборотов вокруг Земли, наблюдал ее поверхность сквозь туман, дождь, снег и темноту. Подобно человеческому глазу, воспринимающему видимый диапазон спектра с длинами волн 4000- 7000А¹, микроволновые приборы «видят» в радиодиапазоне с частотами 1000-300 000 МГц, что соответствует длинам волн от 30 до 0,1 см. Такие приборы дают информацию, которая может быть преобразована в температуру морской поверхности, скорость и направление ветра и количество воды в атмосфере. Они также позволяют получать изображения океанских волн, ледяных полей, айсбергов и ледовых путей (линейных открытых пространств во льду, по которым могут проходить суда), а также характеристики прибрежных участков морей.

¹ Ангстрем - единица длины, 1 А = 10^-10 м.

Океанские течения часто искривляются, меняют курс и размеры. Например, Эль Нино, теплое течение в южном направлении у берегов Эквадора, по сообщениям НАСА, в отдельные годы может распространяться вдоль берегов Перу до 12° ю.ш. Когда это случается, планктон и рыба гибнут в огромных количествах, нанося непоправимый ущерб рыбным промыслам многих стран. Большие концентрации одноклеточных морских организмов Dinoflagellates повышают смертность рыбы, возможно, из-за содержащихся в них токсинов.

Вода приобретает красный цвет, подобно «красным приливам» у берегов южной Калифорнии и западной Флориды. Наблюдение за океанами со спутников помогает выявить «капризы» таких течений и дать полезную информацию тем, кто в ней нуждается.

Вверху. Изображение р. Волги, полученное с борта спутника «Лэндсат-l» с высоты 914 км. Водохранилище, созданное плотиной у г. Волгограда (внизу), протянулось на 320 км вверх по течению, захватывая г. Саратов. К востоку от реки простирается степь с развитым земледелием; правый, более высокий, берег перерезан реками и ручьями.

Рыбаки Тихого океана используют информацию со спутников по расположению тепловых границ в океане, у которых обычно скопляются лососевые рыбы и тунец благодаря высокому содержанию корма в воде. По оценке НАСА, экономия топлива в сочетании с «дополнительным уловом» за счет использования информации со спутников, полученной в инфракрасном диапазоне, дает ежегодную прибыль в размере 2,44 млн. долл.

Прибыль также была получена благодаря спутникам, поставляющим информацию о постоянно меняющемся пути течений Гольфстрим и Гольфлуп. В 1975 г. семь танкеров, принадлежащих фирме «Эксон», использовали спутниковую информацию о течении Гольфстрим для выбора рациональных маршрутов. Экономия топлива для всего флота фирмы, состоящего из 15 танкеров, была оценена в сумму около 360 000 долл. В настоящее время фирма использует спутниковую информацию для всех судов, курсирующих по маршрутам восточного побережья.

Что касается глубоководных наблюдений, то современные чувствительные приборы спутников «Лэндсат» способны «видеть» при чистой воде на глубине до 20 м. В Карибском море это, например, позволило составить карту ранее неизвестных мелей.

В СССР проводятся исследования океанов с борта станций «Салют», а также со спутников, производящих измерения электромагнитного излучения морской поверхности в видимом, инфракрасном и микроволновом диапазонах. Первым таким спутником был «Космос-1076», запущенный 12 февраля 1979 г. на близкую к круговой орбиту с высотами перигея и апогея 637 и 666 км и наклонением 81,5°.

Исследования подобного рода приводят к созданию систем наблюдения, в которых с помощью различных типов спутников собирается информация о поверхности суши и океана с целью лучшего использования природных ресурсов.

К середине 80-х годов планируется оснастить предлагаемую Европейским космическим агентством спутниковую систему исследования природных ресурсов Земли такими чувствительными приборами, как многоспектральное видеоконтрольное устройство цветного изображения, предназначенное для съемки карт в инфракрасных лучах; радиолокационная установка с переменной апертурой и радиометр с получением изображений. Эти приборы предоставят информацию о
1) прибрежных загрязнениях,
2) сохранении и использовании рыбных запасов,
3) прокладывании маршрутов судов с учетом океанских течений,
4) учете силового воздействия волн при проектировании сооружений в открытом море и электростанций, использующих энергию волн,
5) картировании полярных шапок, температур океана и ветров с целью лучшего предсказания изменений климата и погоды.

Ледовая разведка

Использование спутников для целей обзора облегчило задачу прокладывания курса морских судов. При эксплуатации советского атомного ледокола «Сибирь» была использована информация с четырех типов спутников для составления наиболее безопасных и экономичных путей в северных морях. В одном из таких плаваний ледокол прошел путь от Мурманска до Берингова пролива. Получаемая с навигационного спутника «Космос-1000» информация использовалась в вычислительной машине корабля для определения точного местоположения. Со спутников «Метеор» поступали изображения облачного покрова и прогнозы снежной и ледовой обстановки, что позволило выбирать наилучший курс. С помощью спутника «Молния» поддерживалась регулярная связь корабля с базой.

Вверху. Изображение геологической структуры и топографической изменчивости окрестностей Милфорд-Хейвен в Уэльсе, полученное с помощью радиолокатора с переменной апертурой с борта спутника «Сисат-1». Подобные изображения позволяют также получать информацию о состоянии моря. Слева. Этот гигантский айсберг был зафиксирован спутником «Лэндсат» 31 января 1977 г. в конце 2900-километрового путешествия у берегов Антарктики в направлении открытого моря на востоке Южной Америки. Айсберг временно сел на мель вблизи оконечности п-ова Палмер.

Навигация судов в холодных морях полностью зависит от знания свойств, распределения, разнообразия и поведения льда и айсбергов. Для составления прогнозов необходима информация о температурах воздуха и моря, выпадении осадков, ветрах и течениях.

Сведения о толщине льда на озерах и реках, а также о ледовой обстановке на море можно получить со спутников с помощью инфракрасных датчиков в условиях отсутствия облачности. Пассивная микроволновая радиометрия, по-видимому, станет основой всепогодных систем, а фотографирование с высоким разрешением - средством контроля состояния побережья и прибрежных вод.

Одно из наиболее впечатляющих изображений гигантского айсберга было получено с борта спутника «Лэндсат-1» во время его полета над Антарктидой 31 января 1977 г. По форме похожий на ботинок, а по размерам близкий к о-ву Роде, айсберг кажется покоящимся в заливе, но в действительности он находится в открытой воде и временно сел на мель севернее о-ва Джеймса Росса. Слева на изображении виден п-ов Палмер, выступающий в море Уэделла в направлении Южной Америки.

Этот крупный айсберг впервые был замечен на фотографиях, полученных метеорологическими спутниками в 1971 г., а поиск в архивах более ранних изображений позволил выяснить, что впервые айсберг появился на фотографиях, полученных со спутников в марте 1967 г. По ним было установлено, что айсберг образовался у берега Принцессы Марты из ледяной косы, которую еще можно увидеть на некоторых картах Антарктиды, хотя теперь она больше не существует; айсберг был отколот либо под действием ветров, либо при столкновении с другим айсбергом.

В течение нескольких лет 2900-километровое путешествие этого айсберга вдоль побережья постоянно контролировалось из космоса. В августе 1975 г. он врезался в шельфовый ледник Ларсена и отколол другой огромный айсберг размерами 21x58 км. Затем он временно сел на мель у оконечности п-ова Палмер. Ожидалось, что айсберг будет медленно дрейфовать за пределы Антарктических морей и, войдя в теплые воды, постепенно распадется.

Нефтяные загрязнения

Капитан танкера, который считает возможным отмывать резервуары в прибрежных водах, в будущем, вероятно, вступит в борьбу со спутниками, которые пристально наблюдают за его антиобщественной деятельностью. В отличие от плохой видимости нефтяных пятен с самолетов, обзор с которых в любом случае ограничен узкими полосами океана из-за малой высоты, эти пятна эффективно выявляются спутниками в глобальном масштабе, за исключением районов с устойчивой низкой облачностью. Для этих целей спутниковые датчики измеряют потоки солнечного света, отраженного от поверхности океана.

Излучение пролитой нефти резко отличается от излучения обычной океанской воды в близком к ультрафиолетовому диапазоне длин волн порядка 3800 Ằ и близком к красному диапазоне порядка 6000 Ằ. Поляризация в отраженном свете от нефтяных пятен также указывает на резкое отличие.

Можно не только различать легкие и тяжелые нефтяные фракции в одном пятне (легкие имеют более светлый оттенок), но и оценивать объем нефти на основе повторных наблюдений; знание типа и качества нефти поможет определить его месторождение.

Загрязнение воздуха

С изменениями циркуляции в атмосфере (и соответственно метеорологическими наблюдениями со спутников) тесно связана проблема загрязнения воздуха. Ежегодно выбросы промышленных предприятий, выхлопы автомобилей и другие источники образуют сотни миллионов тонн токсичных газов. Облака смога над Лос-Анджелесом и другими городами отчетливо видны на фотографиях, полученных из космоса.

Удивительное заключается в том, что, несмотря на ежегодные выделения огромных масс окиси углерода, стабильного роста ее концентрации не происходит. Следовательно, должен существовать некий природный механизм для удаления образующегося газа.

Глобальное картирование областей атмосферы с высокой, низкой и средней концентрацией газа осуществляется корреляционным интерферометром - оптическим прибором, способным обнаруживать незначительные количества газообразных компонентов. Предполагается, что благодаря монотонному сканированию в течение длительных периодов времени прибор позволит выявить механизм изменения состава газа.

Пока этот механизм не познан, невозможно предсказать, возрастет ли в будущем концентрация окиси углерода и если возрастет, то насколько.

Вызывает также опасение повсеместное возрастание количества двуокиси углерода в атмосфере из-за глобальных масштабов сжигания ископаемых топлив. Как выразился д-р Глен Уэрт, руководитель работ по планированию в области энергетических исследований Ливерморской лаборатории близ Сан-Франциско, это производит эффект накрывания Земли все более толстым одеялом, которое продолжает пропускать солнечный свет, но снижает отражение теплового излучения обратно в космос и, таким образом, способствует накоплению тепла у поверхности. «Если экстраполировать современные темпы сжигания ископаемых топлив, то к 2025 г. температура Земли теоретически вполне может повыситься на 5,5°С. Это не может не вызывать беспокойства, поскольку повышение температуры даже на доли градуса приводит к изменениям климата».

Самые плодородные земли могут превратиться в пустыни, а бесплодные районы стать источниками производства сельскохозяйственных культур.

Вопреки ожиданиям не все результаты исследований удручают. Например, некоторые из них свидетельствуют о том, что окись углерода инициирует сложную совокупность химических реакций, которые могут привести к образованию животворного озона в нижних слоях атмосферы, а точнее в тропосфере на высотах 10-15 км.

Таким образом, важно то, что ученые постоянно следят за самыми различными воздействиями загрязняющих веществ на атмосферу в глобальном масштабе, и в этом деле ключ к решению проблем помогают найти спутники.

Хорошо известно, что солнечный свет, влага и осадки меняют характер, количество и распределение загрязняющих веществ в воздухе. Наблюдения со спутников позволяют не только точно указать концентрацию загрязнений в данной точке, но также тенденции их распространения и связь с местными погодными условиями.

Одной из наиболее важных областей исследований с помощью спутников является часть стратосферы, содержащая слой озона, который предохраняет Землю и ее обитателей от пагубного действия ультрафиолетового излучения Солнца.

Стратосфера, простирающаяся от верхней границы облаков до высоты около 50 км, содержит также слой пылеобразных частиц и мелких жидких капель (аэрозолей), который находится ниже зоны максимальной концентрации озона. Реактивные самолеты являются постоянным источником поступления аэрозолей и газов непосредственно в атмосферу; даже фторуглеводороды, используемые как рабочий газ в аэрозольных распылителях, в конце концов оказываются там. По этой причине в США было запрещено применение фторуглеводородов в аэрозольных распылителях, но им пока не найдено достойной замены в холодильниках, кондиционерах воздуха, производстве пенопластов, огнетушителей и других изделий¹.

¹ Согласно оценкам, на долю США приходится немного менее 50% мирового производства фторуглеводородов.

Эксперимент по изучению аэрозолей и газов в стратосфере 1 Механизм раскрытия панелей солнечных батарей 2 Опора устройства противовращения (4 шт.). 3 Солнечный датчик № 3. 4 Сканирующий диск А. 5 Телеметрические остронаправленные антенны В диапазона S. 6 Магнитометр. 7 Фотометр. 8 Солнечные датчики: № 4 на лицевой стороне, № 5 на противоположной стороне. 9 Информационная остронаправленная антенна А с частотой ~2000 МГц. 10 Вентиляционная панель (на невидимой стороне). 11 Радиатор системы терморегулирования. 12 Солнечный датчик № 2. 13 Штепсельный разъем. 14 Раскладные солнечные батареи.

Выбросы промышленных предприятий могут привести к чрезмерному скоплению аэрозолей и газа в стратосфере, вызывающему отрицательные изменения погоды и климата Земли. Беспокойство по этому поводу заставило ученых обратиться к исследованиям с помощью специализированных спутников. Стратосфера начинается от верхней границы облаков на высоте ~12 км и простирается до высоты ~50 км. Содержащийся в ней озон предохраняет нас от пагубного воздействия ультрафиолетового излучения Солнца. Стратосфера содержит также слой аэрозолей - мелких частиц или капель жидкости, который находится ниже зоны максимальной концентрации озона. Для исследования этих областей НАСА запустило в 1979 г. спутник «Эксплорер-В» массой 147 кг, обращающийся по круговой орбите высотой 600 км. Он был оснащен приборами, обеспечивающими проведение эксперимента по изучению аэрозолей и газов в стратосфере. Специальный фотометр «смотрел» на Солнце сквозь стратосферные газы и аэрозоли при входе спутника на теневую сторону Земли и выходе из нее. Каждые 24 ч фотометр «наблюдал» 15 восходов и 15 закатов и регистрировал появляющийся или блекнущий свет в четырех цветовых диапазонах частот. Эта информация преобразовывалась с целью определения концентрации озона и аэрозолей. Четыре цветовых диапазона соответствовали длинам волн 1,0, 0,60, 0,45 и 0,38 мкм, т.е. от ближнего инфракрасного до голубого.

Когда потребовалось по-новому взглянуть на нашу планету с точки зрения проблем, связанных с истощением природных ресурсов, увеличением численности населения и загрязнением окружающей среды, ученые нашли выход в создании спутников для исследования природных ресурсов Земли. Только из космоса можно одновременно собрать глобальную информацию о состоянии атмосферы и океанов, сельском хозяйстве и геологии, о результатах деятельности человека, непрерывно изменяющей условия жизни на Земле (увы, не всегда в лучшую сторону!). Первыми спутниками, сконструированными специально для этих целей, были спутники «Лэндсат», изготовленные для НАСА фирмой «Дженерал электрик». Принцип действия спутников основан на том, что любое природное образование испускает, поглощает и отражает присущее только ему электромагнитное излучение, что позволяет получить его характерный спектральный портрет. По регистрируемым специальными телевизионными камерами и радиометрическими развертывающими устройствами на борту спутника спектральным портретам природных образований можно судить о видах и состоянии сельскохозяйственных культур, геологической структуре, типах горных пород, качестве почвы, содержании влаги в земле, распределении воды по поверхности и распространении загрязнений от промышленных предприятий. Изображения представляются в цифровой форме и передаются на параболические антенны наземных приемных станций, где они записываются на магнитную ленту и хранятся для последующего преобразования в цветные или черно-белые снимки. Спутник «Лэндсат» способен воспринимать информацию как с океанов, так и с суши, а «Сисат» - в основном с моря. Восемьдесят семь процентов пресной воды на Земле сосредоточено в полярных шапках. Огромные скопления рыб кишат в морях, некоторые виды обитают в районах, где температура меняется не более чем на два градуса, причем эта разница улавливается таким спутником, как «Сисат». С орбиты высотой 800 км «Сисат» направлял свои пять приборов на океаны и, совершая ежедневно 14 оборотов вокруг Земли, производил наблюдения сквозь туман, дождь, снег и темноту. Подобно человеческому глазу, воспринимающему видимый диапазон спектра с длинами волн 4000-7000 Ằ, микроволновые приборы «видят» в радиодиапазоне с частотами 1000-300 000 МГц. Информация, поступающая от таких приборов, может быть преобразована в температуру морской поверхности, скорость и направление ветра и количество воды в атмосфере. Они также позволяют получать изображения океанских волн, ледяных полей, айсбергов и ледовых путей - прямолинейных открытых пространств во льду, по которым могут проходить суда. Всего было запущено четыре спутника «Лэндсат» и один «Сисат». Из них только «Лэндсат-3» продолжает функционировать. Запуск спутника «Лэндсат-4» состоялся 16 июля 1982 г. На этом спутнике, созданном фирмой «Фэрчайлд», установлены новый датчик, разработанный фирмой «Хьюз», который называется датчиком тематического обзора, а также многоспектральное развертывающее устройство. «Сисат-1» 1 Ракета «Аджена». 2 Электронное оборудование. 3 Радиолокационный датчик рассеянного излучения. 4 Радиолокатор с переменной апертурой (РПА). 5 Сканирующий многоканальный микроволновый радиометр. 6 Лазерный обратный отражатель. 7 Радиовысотомер. 8 Антенна РПА. 9 Радиометр видимого и инфракрасного диапазонов. 10 Антенна связи № 1. 11 Антенны датчика рассеянного излучения. 12 Антенна маяка-ответчика. 13 Антенна связи № 2. 14 Панели солнечных батарей. Хотя спутник функционировал менее четырех месяцев в 1978 г., он открыл новые возможности обзора Земли, обеспечивая важную информацию для навигации и использования океанских ресурсов. Из пяти установленных на борту спутника приборов четыре являются микроволновыми. С помощью сканирующего многоканального микроволнового радиометра производились измерения температуры поверхности с точностью 1,5-2°С и оценка скорости ветра до 50 м/с. Измерения с помощью радиолокационного датчика рассеянного излучения усиления слабого волнения моря, вызванного усилением ветра вблизи поверхности, могли быть непосредственно преобразованы в скорость и направление ветра. Радиолокатор с переменной апертурой обеспечивал получение всепогодных изображений волн, ледовой обстановки и состояния районов побережья. С помощью радиовысотомера измерялись средняя высота волн и максимальная их высота, а также высота полета самого спутника с точностью до 10 см,что позволяло регистрировать особенности приливов и отливов, штормовых волн и течений. Пятый прибор, радиометр видимого и инфракрасного диапазонов, позволял получать при ясной погоде информацию о температуре морской поверхности, очертания облачного покрова, а также изображения океанов и побережий. Орбита спутника «Лэндсат-3» Спутник движется по полярной круговой орбите высотой около 920 км. Вращение Земли приводит к смещению области обзора западном направлении на угловое расстояние по экватору 1,43° (159 км) ежесуточно. Каждые сутки «Лэндсат-3» совершает приблизительно 14 оборотов вокруг Земли; полный цикл обзора, в течение которого спутник выдает информацию по каждому району Земли в полосе между 81° с.ш. и 81° ю.ш., совершается за 251 оборот и занимает ровно 18 сут. Контуры обзора перекрываются у экватора на 14%. Обсерватория «Лэндсат-3» 1 Панели солнечных батарей. 2 Командная антенна. 3 Система управления ориентацией. 4 Широкополосная антенна. 5 Пятидиапазонное многоспектральное развертывающее устройство. 6 Объединенная остронаправленная антенна диапазона S. 7 Датчик ориентации. 8 Камеры на видиконе с обратным лучом (2 шт.). 9 Антенна системы сбора информации. 10 Дополнительное запоминающее устройство командной системы ИПРЗ. 11 Сенсорное кольцо. 12 Антенны маяка-ответчика (4 шт.). Подсистемы спутника «Лэндсат-3» обеспечивают функционирование полезного груза на орбите с питанием от 2 солнечных батарей, вырабатывающих энергию 630 Вт-ч. Активная система управления ориентацией поддерживает ориентацию обсерватории с точностью ±1,0° относительно местной вертикали и ±1,0° в плоскости орбиты (по рысканию). Информация передается на наземные приемные станции со скоростью 18 000 млн. бит на витке. Технические характеристики Масса ~950 кг. Полная высота ~ 3 м. Диаметр основания 1,5 м. Размах панелей солнечных батарей 3,96 м (макс.); каждая батарея имеет независимый привод, так что потери энергии в случае неисправности одного из приводов лишь частичны. Многоспектральное развертывающее устройство (МРУ) (вверху слева) Устройство строчной развертки с качающимся зеркалом, непрерывно сканирующим в направлении поверхности Земли. На спутнике «Лэндсат-1» такое устройство давало четыре синхронных изображения в различных диапазонах длин волн: полоса 4 (зеленая) - 0,5-0,6 мкм; полоса 5 (нижняя красная) - 0,6-0,7 мкм; полоса 6 (верхняя красная/нижняя инфракрасная) - 0,7-0,8 мкм; полоса 7 (инфракрасная) - 0,8-1,1 мкм. На спутнике «Лэндсат-3» устройство имеет пятый диапазон. Полоса 8 (тепловая инфракрасная) - 10,4-12,6 мкм. Полосы 4-7 воспринимаются шестью детекторами каждая, полоса 8 - лишь двумя. В полосе 7 наилучшим образом воспринимается распределение суши и воды; в полосе 5 - топографические особенности; в полосе 4 качественно различимы глубина и мутность стоячей воды; в полосе 6 наилучшим образом воспринимаются тональные контрасты, отражающие характер использования земли, а также в максимальной степени различаются суша и вода (см. также диаграмму на с. 83). Видикон с обратным лучом (вверху справа) В системе камер на видиконах с обратным лучом спутника «Лэндсат-3» две панхроматические камеры позволяют получить сопряженные изображения земной поверхности под спутником. Обе камеры имеют одинаковый широкий диапазон чувствительности (от зеленого до ближнего инфракрасного) 0,505-0,75 мкм. Каждая камера охватывает площадь 93 х 93 км с разрешением на Земле вдвое большем, чем на прежних спутниках «Лэндсат», - 40 вместо 80 м. Камеры могут работать независимо в режимах покадрового или непрерывного обзора. Четыре изображения от видиконов приблизительно совпадают с одним кадром устройства МРУ. На спутниках «Лэндсат-1 и -2» три телевизионные камеры с чувствительностью в диапазоне 0,48-0,83 мкм были установлены рядом и работали одновременно. Отдельные кадры видикона охватывают территорию размерами около 185 X 185 км и перекрываются на 10%.

Аэрозольный слой на высотах 22- 28 км оказывает фильтрующее действие на количества достигающего поверхности Земли и отраженного солнечного света, который в конечном счете излучается в космос. Ученые озабочены тем, что повышение концентрации аэрозолей и химические превращения, происходящие под действием солнечного света, могут привести к постепенному изменению климата на Земле вплоть до возможности таяния полярных льдов и нарушения экологического равновесия.

Один из экспериментов, специально направленных на решение этих проблем,- эксперимент по изучению аэрозолей и газов в стратосфере - был проведен при запуске спутника «Эксплорер» для прикладных исследований. С круговой орбиты спутника высотой 600 км и наклонением 55° специальный фотометр «смотрел» на Солнце сквозь стратосферные газы и аэрозоли всякий раз, когда спутник входил на теневую сторону Земли или выходил из нее.

Каждые сутки прибор «видел» 15 восходов Солнца и столько же закатов и регистрировал появляющийся или блекнущий свет в четырех цветовых диапазонах частот. По результатам повторных наблюдений можно было определить концентрации озона и аэрозолей.

По словам д-ра М. Патрика Маккормика из Научно-исследовательского центра НАСА в Лэнгли, измерения озона с борта спутников в сочетании с другой информацией помогут подтвердить или отвергнуть предполагаемое влияние хлорфторметана на истощение озонового слоя. Согласно оценкам, при сохранении темпов выброса хлорфторметана в атмосферу на уровне 1975 г. от 8 до 30% общего количества озона будет полностью утрачено, причем наибольшие потери произойдут в диапазоне высот 35-45 км.

Снижение средней мировой температуры всего на 1°С повлияет на сельское хозяйство северных районов.

Основными природными источниками аэрозольного слоя являются вулканы. Газ, выделяемый ими в стратосферу, превращается в капельки серной кислоты, отражающие тепло и блокирующие солнечное излучение.

Вверху. Томас Г. Пайпер из Университета Пэрдью изучает изображения, полученные со спутника «Лэндсат», с целью выявления районов с пораженными болезнями злаковыми культурами. Этот эксперимент охватывал несколько штатов, включающих Североамериканский хлебный пояс.

Самое последнее понижение температуры произошло во время малого ледникового периода, между 1450 и 1615 гг. н. э., когда р. Темза в Англии промерзла так глубоко, что на льду можно было раскладывать костры и жарить быков. В Гренландии погибла основанная за несколько веков до этого периода скандинавская колония из-за того, что паковый лед сковал воды северной Атлантики, а холода заставили отказаться от земледелия.

По мнению НАСА, это похолодание явилось результатом почти непрерывной серии сильных извержений вулканов в сочетании с другими явлениями, возможно кратковременным изменением солнечной активности.

Если данная гипотеза справедлива, то она самым убедительным образом свидетельствует, сколь тонко сбалансирована экология нашей планеты и как важно понимать масштабы участия человека в загрязнении атмосферы.

Полезные ископаемые

Космические орбиты можно также использовать для зондирования земной коры и континентальных шельфов с целью поиска месторождений нефти, минералов и природного газа, и не случайно нефте- и горнодобывающие отрасли промышленности до сих пор были наиболее крупными потребителями информации со спутников «Лэндсат».

С помощью спутников можно наблюдать особенности земной поверхности, в том числе крупные складки и разломы, которые дают ключ к природным кладовым; осуществлять поиск неизвестных месторождений нефти вдоль поперечных сбросов земной коры, соответствующих известным нефтеносным районам. Минералы, например хром, марганец, фосфор и другие, могут быть опознаны по цвету горных пород и по топографии местности.

Первым открытием, по словам американского сенатора Фрэнка Е. Мосса, было заключение геологов о том, что запасов нефти и газа на северном склоне Аляски значительно больше, чем предполагалось ранее. С помощью спутников были получены многоспектральные изображения существенных особенностей рельефа и разрывов структуры, которые ранее не наблюдались и не имеют отношения к геологии поверхности.

Информация о зонах разломов и разрывов, полученная по изображениям со спутника «Лэндсат», также была использована при выборе мест для атомных электростанций и линий прокладки трубопроводов.

Таяние снегов

Еще одной важной областью применения спутников в рамках программы использования природных ресурсов Земли (ИПРЗ) является регулярное получение фотографий снежного покрова Земли и гор. Точный прогноз таяния снегов имеет важное значение при планировании рационального использования воды для электростанций и ирригации, при контроле наводнений и оценке потребностей крупных городов в воде.

«Лэндсат» показал возможность измерения снеговой линии и протяженности снежного покрова с отклонениями в пределах 5% точности измерений с самолетов. Произведение площади снежного покрова, его глубины и плотности дает запас воды, которая может быть использована. Например, полученные со спутника в феврале 1977 г. фотоснимки бесснежных гор Сьерра-Невада вскрыли причины засухи в западной части Северной Америки. На аналогичных фотоснимках, сделанных в 1975 г., наблюдалось повышение уровня снеговой линии на 610 м.

Оперативность, с которой осуществляются спутниковые наблюдения, позволяет значительно сэкономить время и деньги.

Вверху. Изображение Нью-Йорка, полученное со спутника «Лэндсат-1». Хорошо видны Центральный парк в нижней части Манхаттена и взлетно-посадочные полосы аэропортов им. Кеннеди, Лагуардиа и Ньюарк. Цвета условно соответствуют характеру местности: красный - растительность; оранжевый - болотистая местность; бледно-синий - городская застройка; коричнево-зеленый - промышленные районы с высокой плотностью размещения объектов; белый - бетонные сооружения и дороги.

Изображения с орбитальных станций

Многоспектральные космические фотоаппараты нашли наиболее эффективное применение на американской и советской орбитальных станциях «Скайлэб» и «Салют». В советской программе, продолжающейся в настоящее время, используется блок из шести многозональных аппаратов МКФ-6М, разработанных советскими учеными и учеными ГДР и изготовленных известным оптическим предприятием «Карл Цейс Йена» в ГДР. Каждый аппарат снимает одинаковое число изображений заданного района в различных диапазонах спектра. После завершения съемки изображения накладываются друг на друга с помощью специального оборудования для обработки снимков.

В аппаратах используются специальная пленка и светофильтры, воспринимающие различную информацию. Например, один из аппаратов регистрирует подробности строения почвы, включая содержание влаги и состав ее твердой части. Другая камера выбирает информацию о типах растительности, такой, как леса и сельскохозяйственные культуры. Третья камера настроена на извлечение данных о качестве воды в озерах и океанах, а также о масштабах загрязнений.

Наблюдения из космоса, подобные тем, которые осуществляются с борта советских орбитальных станций, настолько эффективны, что объем информации, получаемой за пять минут, может быть собран лишь за два года аэрофотосъемки.

Фотографии поражают стереоэффектом. Изображение суровых вершин Памиро-Алая, полученное с помощью экспериментальной камеры на борту космического корабля «Союз-22», во всех деталях воспроизводило ледник Федченко и позволяло выявить более ста менее крупных ледников на охваченной территории, из которых ранее было известно лишь около тридцати. Был получен не только большой объем новой информации о рассматриваемой области, но и обнаружены районы (цвета ржавчины на фотографиях), как нельзя лучше подходящие для разведения крупного рогатого скота.

Экипажи станции «Салют» проводили также исследования мирового океана, ледяного и снежного покровов, глобальные метеорологические наблюдения.

А. Монин, директор советского института океанографии, подчеркивал значение таких наблюдений для рыболовства. По его словам, инфракрасные датчики на борту космических лабораторий могут измерять температуру поверхности океана и с большим быстродействием определять зоны теплых и холодных течений. Перемещение косяков рыб и других морских организмов зависит от состояния масс воды, которое также определяет концентрацию и распределение различных видов рыбы. Для такой информации в мировом масштабе потребовались бы десятки тысяч исследовательских судов.

Работы других стран

Значение исследований природных ресурсов Земли получило широкое признание, и другие страны начали разрабатывать спутники для решения аналогичных задач. В 1979 г. с помощью советской ракеты-носителя был запущен индийский экспериментальный спутник наблюдения, что положило начало постоянно действующей системе.

Как и другие страны, Индия считает спутники наблюдения особенно эффективными для исследования природных ресурсов, которые меняются и возобновляются со временем, таких, как возделываемая земля, леса, реки, прибрежная зона, подвергаемая эрозии, снег и зоны затопления. Одной из задач является прогнозирование начала муссонов, с которым связана пересадка риса.

В 1978 г. Франция объявила программу «СПОТ» (франц. SPOT - Systeme Probatoire d'Observation de la Terre - экспериментальная система наблюдения Земли). Долгосрочной целью этого проекта является инвентаризация невозобновляемых и медленно возобновляемых ресурсов, таких, как минералы и ископаемые топлива, водные запасы, наблюдение за состоянием сельского хозяйства и атмосферы. Программа ориентирована на возможность опознавать, прогнозировать и в ряде случаев контролировать некоторые процессы, относящиеся к океанографии, климатологии, эрозии почвы и загрязнению воды, а также следить за потенциально опасными природными явлениями, такими, как наводнения, засуха, штормы, землетрясения и извержения вулканов.

в начало назад